应用层

应用层对应用程序的通信提供服务。

特点：

没有应用层，就没有网络通信的支持
参考模型中唯一不需要为上层服务的一层
向参考模型外的用户提供服务

应用程序分类：

直接网络应用程序
- 电子邮件、远程登录、web应用、文件传输等；
间接网络应用程序
- 依靠重定向器【Redirector】实现网络功能；
- 重定向器是置于应用中的一种小软件；

应用层的重要协议：

FTP SMTP、POP3 HTTP DNS

两种体系结构：

客户-服务器结构
P2P 结构

C/S模型

**服务器：**提供计算服务的设备。

永久提供服务（总是在线）
永久性访问地址/域名（固定的IP地址）

**客户机：**请求计算服务的主机。

与服务器通信，使用服务器提供的服务
间歇性接入网络
可能使用动态IP地址
相互间一般不直接通信

P2P模型

不存在永远在线的服务器

每个主机既可以提供服务，也可以请求服务任意端系统/节点之间可以直接通讯

节点间歇性接入网络

节点可能改变IP地址

可扩展性好、网络健壮性强

特点：

对等方直接通信
自扩展性：新的对等方带来新的服务能力与服务需求（可视为服务器）
单次通信时各方角色唯一

文件分发时间——P2P与C/S对比：PPT2-71/课本P93

文件分发P2P协议 BitTorrent

▪文件分成256Kb的块（chunk） ▪对等体在洪流（torrent）发送/接收文件块

请求原则：稀缺优先（优先请求副本最少的块）

交换激励：“一报还一报”（tit-for-tat）

请求块: ▪在任何给定的时间，不同的对等点有不同的文件块子集 ▪定期地，Alice向每个peer请求他们拥有的区块列表 ▪Alice从对等节点请求丢失的数据块，最稀有的优先

发送块:以牙还牙 ▪Alice将数据块发送给当前以最高速率向她发送数据块的四个对等体 •其他节点被Alice阻塞(不从她那里接收数据块) •每10秒重新评估前4名 ▪每30秒:随机选择另一个对等体，开始发送块 •“疏通”（unchoked）这个对等体 •新选择的同伴可能会加入前4名

接收进程Addressing：

要接受信息，进程必须有**标识符【**identifier】
- 标识符包括IP地址与端口号
主机设备有唯一的32位地址

应用层传输服务需求：

数据完整性（data integrity）
- 可容忍/不可容忍
吞吐量（timing）
- 任意吞吐量/最小吞吐量（带宽敏感）
时延（throughput）
安全（security）

TCP：

可靠传输（握手过程）
流量控制
拥塞控制
面向连接
不提供：时延保证、最低吞吐量保证、安全性

UDP：

不可靠传输
不提供：流量控制、拥塞控制、时延保证、最低吞吐量保证、安全性
可以有更快的速度

Sockets套接字

【应用层】与【传输层】间的接口（API）；

进程向它的套接字发送/接收消息；

定义了网络上的各种操作；

位于应用层与传输层之间；

可以直接调用TCP与UDP；

由一个IP与一个端口组成一端；

使用Socket

建立Socket
数据传输（收发）
关闭Socket

TCP socket示例：（PPT2-88）

Untitled 1.png

Untitled 2.png

关键步骤：

Untitled 3.png

UDP socket示例：（PPT2-84）

Untitled 4.png

Untitled 5.png

关键步骤：

Untitled 6.png

DNS系统（Domain Name System）

不能使用IP地址标识计算机：

计算机可能更换IP地址
IP地址难以记忆

⬇️让名字映射IP地址

DNS：层次化、分布式数据库系统，提供域名解析服务——将域名映射到资源记录上

顶级域名：通用、国家；（必须向ICANN申请）
二级域名：（只需向顶级域名运行机构申请）

每个域名为到根的路径；（树状图）

服务器级别：

根域名服务器
顶级域名服务器
权限域名服务器
本地域名服务器（充当代理）

域名服务器将域名映射为ip地址；

主域名服务器持有该区域的DNS数据库，次域名服务器同步数据；

根域名服务器最为重要，接受子服务器的求救请求；

DNS选用UDP协议（faster）

域名解析：

递归查询

Untitled 7.png

迭代查询

Untitled 8.png

域名服务器会对映射关系进行缓存；缓存在一个TTL后失效；

DNS记录（资源记录RR）

RR格式：(name, value, type, ttl)

ttl：记录生存时间
type：决定name与value的作用（P89）

DNS报文：（P90）

Untitled 9.png

首部（前十二字节）：

标识符：16bit数，用于标识查询，响应使用相同标识；

标志：

▪ query or reply ▪ recursion desired ▪ recursion available ▪ reply is authoritative

问题：name, type fields for a query

回答：RRs in response to query

权威：records for authoritative servers

附加信息：additional “helpful” info that may be used

文件传送协议 FTP

FTP协议：

FTP是基于**客户/服务器的协议。使用TCP**传输协议。用户通过一个客户机程序连接至在远程计算机上运行的服务器程序。

依照FTP协议提供服务，进行文件传送的计算机就是FTP服务器。连接FTP服务器，遵循FTP协议与服务器传送文件的电脑就是FTP客户端。

Untitled 10.png

控制连接始终保持；

使用21端口

数据连接保持一会；

主动方式使用TCP 20端口；

被动方式由服务器和客户端自行协商决定(端口>1024)；

FTP传输模式

文本模式：ASCII模式，以文本序列传输数据; 二进制模式： Binary模式，以二进制序列传输数据。

电子邮件系统

主要组成：

用户代理
邮件服务器
简单传输协议（SMTP）

Untitled 11.png

协议：

发：SMTP
收：POP3、IMAP

Untitled 12.png

简单邮件传送协议 SMTP

SMTP规定了在两个相互通信的SMTP进程之间应如何交换信息。

负责发送邮件的SMTP进程就是SMTP客户，负责接收邮件的进程就是SMTP服务器。

命令：ASCII text
响应：状态码和短语

TCP连接 端口号**25** C/S

SMTP通信三个阶段：

连接建立（握手）→邮件传送（传输信息）→连接释放

特点：

SMTP使用持久连接
SMTP要求消息(报头和正文)是7位ASCII码
SMTP服务器使用CRLF。CRLF确定消息结束

缺点：

SMTP不能传送可执行文件或者其他二进制对象。
SMTP仅限于传送7位ASCII码，不能传送其他非英语国家的文字。
SMTP服务器会拒绝超过一定长度的邮件。

SMTP报文格式：

Untitled 13.png

▪header lines, e.g., • To: • From: • Subject:

▪Body: the “message” • ASCII characters only

💡 对比HTTP与SMTP：

HTTP：

HTTP 从 Web服务器向Web客户（通常是一个浏览器）传送文件（也称为对象）;

SMTP：

SMTP从一个邮件服务器向另一个邮件服务器传送文件（即电子邮件报文）。

当进行文件传送时，持续的HTTP 和 SMTP 都使用持续连接。

HTTP	SMTP
拉协议（pull protocol）	推协议（push protocol）
不受这种限制	要求每个报文（包括它们的体）采用7比特ASCII码格式
把每个对象封装到它自己的HTTP响应报文中	把所有报文对象放在一个报文之中

通用因特网邮件扩充 MIME

使电子邮件系统可以支持声音、图像、视频、多种国家语言等等。

Untitled 14.png

邮局协议 POP3

P81

TCP连接 端口号110 C/S

工作方式：

下载并删除
下载并保留（在服务器）

网际报文存取协议 IMAP

P82

IMAP协议比POP协议复杂。当用户pc上的IMAP客户程序打开IMAP服务器的邮箱时，用户可以看到邮箱的首部,若用户需要打开某个邮件，该邮件才上传到用户的计算机上。

▪将所有消息保存在一个地方：服务器 ▪允许用户在文件夹中组织信息 ▪跨会话保持用户状态

万维网

WWW的构成：

资源
统一资源定位器URL（资源的唯一标识）
- 一般形式：<协议>://<主机>:<端口>/<路径>
通信协议（HTTP）

WWW的传输层使用了TCP

过程：向浏览器（客户端）输入URL——浏览器向DNS域名服务器发起DNS请求——DNS应答返回域名地址——浏览器用域名地址和Web服务器建立TCP连接——浏览器向Web服务器发送HTTP请求，要求获取指定资源文件——web服务器返回被请求文件——释放TCP连接——浏览器显示下载到本地的文件；

超文本传输协议 HTTP

⇒ HTTP&HTTPS

HTTP协议定义了浏览器（万维网客户进程）怎样向万维网服务器请求万维网文档，以及服务器怎样把文档传送给浏览器。

Untitled 15.png

特点：无状态（不保存历史信息）⇒ 解决方案：使用cookie

HTTP采用TCP作为传输层协议，其本身是无连接的；

使用TCP的过程：

客户端发起TCP连接（创建套接字）到服务器端口80
服务器接受来自客户端的TCP连接
HTTP消息(应用层协议消息)在浏览器(HTTPClient)和Web服务器(HTTP服务器)之间交换
TCP连接关闭

连接方式：

非持久连接

Untitled 16.png

非持续HTTP响应时间：

1*RTT：启动TCP连接
1*RTT：HTTP请求和相应中少数头部字节的返回
1*文件传输时间

总时间：2*RTT+文件传输时间

持久连接

Untitled 17.png

持续HTTP：

服务器再发送响应后保持连接打开
对于所有被引用的对象，只需要1*RTT

RTT：一个小packet从客户端到服务器再返回的时间

HTTP报文结构：

HTTP请求报文：

请求行：请求方法 /URL （表示请求字段） HTTP版本
头部行：
1. Host：请求服务器名称
2. User-agent：用户代理（浏览器类型）
3. Connection：close 传输完毕后需要关闭连接
4. Accept-language：用户想得到的语言版本

Untitled 18.png

HTTP响应报文：

状态行：HTTP版本当前状态是否正常
头部行：
1. Connection：close 返送报文后关闭连接
2. Date：响应报文创建时间
3. Server：Web服务器类型
4. Content-Length：报文字节数
5. Content-Type：报文类型

Untitled 19.png

Untitled 20.png

请求方法：

GET

用于从服务器获取资源。GET请求通过URL发送参数，服务器响应包含请求的资源内容。

GET请求是幂等的，即多次相同的GET请求会产生相同的结果，不会对服务器状态产生影响。
POST

用于向服务器提交数据，常用于提交表单数据或上传文件等操作。POST请求将数据作为请求的主体发送给服务器，服务器根据请求处理数据并返回响应。

POST请求不是幂等的，每次请求可能会对服务器状态产生影响。
HEAD

与GET方法类似，但服务器只返回响应头部，不返回响应体。

HEAD请求常用于获取资源的元数据，如文件大小、修改日期等，而不需要实际的资源内容。
PUT（HTTP/1.1新增）

用于向服务器上传资源或更新现有资源。
DELETE（HTTP/1.1新增）

用于删除服务器上的资源。

常见状态码：

200 OK • request succeeded, requested object later in this msg

301 Moved Permanently • requested object moved, new location specified later in this msg (Location:)

400 Bad Request • request msg not understood by server

404 Not Found • requested document not found on this server

505 HTTP Version Not Supported

Cookies：

组成：

在HTTP响应报文中的一个cookie首部行；
在HTTP请求报文中的一个cookie首部行；
在用户端系统中保留有一个cookie文件，并由用户的浏览器进行管理；
位于Web站点的一个后端数据库

Web缓存器（代理服务器）

可以配置浏览器将所有HTTP请求首先定向到Web缓存；
如果缓存里有请求对象，则返回给客户浏览器；
如果没有，向源服务器请求对象，存储一份副本，并返回给客户浏览器；

Web缓存器既是客户端，又是服务端，通常由ISP安装；

使用原因：

减少响应时间；
减少机构接入链路到因特网的通信量（降低费用）；
减低因特网web流量，改善所有应用性能；

案例计算：详见课本P73/PPT 2-26

条件GET

存储在缓存器中的对象副本可能是未更新的；

条件GET方法允许客户端在发送GET请求时附加条件，以确定是否需要从服务器获取最新的资源副本。

If-Modified-Since：该头部字段用于指定一个日期时间，通常是上次获取资源时的时间戳。如果资源的修改时间早于或等于指定的日期时间，表示资源未修改，服务器将返回状态码304 Not Modified，客户端可以使用缓存的资源。如果资源的修改时间晚于指定的日期时间，表示资源已经修改，服务器将返回状态码200 OK和最新的资源内容。

其他

文件传输：

FTP/TFTP
上传/下载
TCP控制连接（控制进程21）/ TCP数据连接（数据进程20）

远程登录TELNET：

其内部视图实际上是一个TCP连接，工作在23端口
SSH：Secure Shell，工作在22端口，提供安全传输壳

FTP和TELNET的传输层都采用了TCP；

计算机网络——应用层

应用层