计算机网络原理与应用（第八章课件）

第八章

应用层PrincipleandApplicationofComputerNetwork课件制作：章全信息管理系第八章应用层PrincipleandApplicationofComputerNetwork本章重点（一）（二）（三）Internet应用的发展和应用层协议的分类客户/服务器模式与P2P模式的特点域名系统DNS（四）电子邮件、文件传输和WWW等常见网络应用第八章应用层PrincipleandApplicationofComputerNetwork本章重点（五）（六）动态主机配置协议DHCP网络搜索等应用第一节互联网应用与应用层协议ChaptersandSections本章章节第二节DNS—域名系统第三节TELNET—远程登录协议第四节

FTP—文件传输协议第五节E-mail—电子邮件ChaptersandSections本章章节第六节

Web—网页第七节DHCP—动态主机配置协议第八节新兴网络应用PART1互联网应用与应用层协议第一节互联网应用与应用层协议一、互联网应用技术发展的三个阶段Internet从出现到现在，已经有30多年的历史了。随着网络技术的迅猛发展，Internet上的应用也越来越多。Internet应用的发展可以分为三个阶段。如图8-1所示。图8-1Internet应用的发展趋势第一节互联网应用与应用层协议二、互联网应用模式比较前面介绍Internet通信方式的时候讲过，互联网通信方式分客户/服务器模式（Client/Server，C/S）和对等模式（也就是P2P）。按照通信方式，互联网网络应用同样可以分为两类：客户/服务器模式与对等模式。（一）客户/服务器模式的基本概念（1）客户/服务器结构的特点从网络应用程序工作模型的角度，网络应用程序分为：客户程序与服务器程序。以电子邮件程序为例，E_mail应用程序分为服务器端的邮局程序与客户端的邮箱程序。用户在自己的计算机中安装并运行客户端的邮箱程序，例如FoxMail，成为电子邮件系统的客户，能够发送和接收电子邮件。而安装邮局应用程序的计算机就成为电子邮件服务器，它为客户提供接收、存储、转发电子邮件与用户管理的服务功能。（2）采用客户/服务器模式的原因Internet应用系统采用客户/服务器模式的主要原因是网络资源分布的不均匀性。网络资源分布的不均匀性表现在硬件、软件和数据三个方面。第一节互联网应用与应用层协议（二）对等网络的基本概念P2P是网络结点之间采取对等的方式，通过直接交换信息达到共享计算机资源和服务的工作模式。人们也将这种技术称为“对等计算”技术，将能提供对等通信功能的网络称为“P2P网络”。目前，P2P技术已广泛应用于实时通信、协同工作、内容分发与分布式计算等领域。统计数据表明，目前的Internet流量中P2P流量超过60%，已经成为Internet应用的新的重要形式，也是当前网络技术研究的热点问题之一。P2P已经成为网络技术中一个基本的术语。研究P2P涉及三方面内容：P2P通信模式、P2P网络与P2P实现技术。（1）P2P通信模式是指P2P网络中对等结点之间直接通信的能力。（2）P2P网络是指在Internet中由对等结点组成的一种动态的逻辑网络。（3）P2P实现技术是指为实现对等结点之间直接通信的功能和特定的应用所涉及的协议与软件。因此，术语P2P泛指P2P网络与实现P2P网络的技术。第一节互联网应用与应用层协议（三）P2P与C/S工作模式的区别图8-2形象地表示出P2P与C/S工作模式的区别。C/S工作模式与P2P工作模式的区别主要表现在以下几个方面。（1）C/S工作模式中信息资源的共享是以服务器为中心（2）P2P工作模式淡化服务提供者与服务使用者的界限（3）C/S与P2P模式的差别主要在应用层（4）P2P网络是在IP网络上构建的一种逻辑的覆盖网图8-2P2P与C/S工作模式的区别第一节互联网应用与应用层协议三、互联网应用层协议（一）应用层协议的基本概念网络应用与应用层协议是两个重要的概念。E-mail、FTP、TELNET、Web、IM、IPTV、VoIP，以及基于网络的金融应用系统、电子政务、电子商务、远程医疗、远程数据存储都是不同类型的网络应用。应用层协议规定了应用程序进程之间通信所遵循的通信规则，包括：如何构造进程通信的报文，报文应该包括哪些字段，每个字段的意义与交互的过程等问题。（二）应用程序体系结构的概念面对被抽象为边缘部分与核心交换部分的Internet，网络应用系统设计工程师在设计种新的网络应用时，只需要考虑如何利用核心交换部分所能够提供的服务。而不必涉及核心交换部分的路由器、交换机等低层设备或通信协议软件的编程问题。因此，将网络应用程序功能、工作模型与协议结构定义为应用程序体系结构（applicationarchitecture）。图8-3给出了应用层与应用程序体系结构关系的示意图。第一节互联网应用与应用层协议（二）应用程序体系结构的概念面对被抽象为边缘部分与核心交换部分的Internet，网络应用系统设计工程师在设计种新的网络应用时，只需要考虑如何利用核心交换部分所能够提供的服务。而不必涉及核心交换部分的路由器、交换机等低层设备或通信协议软件的编程问题。因此，将网络应用程序功能、工作模型与协议结构定义为应用程序体系结构（applicationarchitecture）。图8-3给出了应用层与应用程序体系结构关系的示意图。图8-3应用层协议与应用程序体系结构第一节互联网应用与应用层协议（三）应用层协议的基本内容应用层协议定义了运行在不同端系统上应用程序进程交换的报文格式与交互过程，主要包括（1）交换报文的类型，如请求报文与应答报文。（2）各种报文格式与包含的字段类型。（3）对每个字段意义的描述。（4）进程在什么时间、如何发送报文，以及如何响应。第一节互联网应用与应用层协议（四）应用层协议的分类根据应用层协议在Internet中的作用和提供的服务功能，应用层协议可以分为三种基本类型：基础设施类、网络应用类与网络管理类。图8-4给出了主要应用层协议分类的示意图。图8-4应用层协议分类第一节互联网应用与应用层协议（四）应用层协议的分类根据应用层协议在Internet中的作用和提供的服务功能，应用层协议可以分为三种基本类型：基础设施类、网络应用类与网络管理类。图8-4给出了主要应用层协议分类的示意图。图8-4应用层协议分类PART2DNS—域名系统第二节DNS-域名系统Internet使用IP地址来访问互联网上的主机，但是记忆和管理众多的无任何记忆规律的IP地址显然是一件痛苦的事情。为了使用方便，使用ASCII字符组成的域名来标识和访问网络中的主机。但网络本身只能理解数字形式的IP地址，因此必须引入一种方案实现IP地址和域名之间的相互转换。DNS（DomainNameSystem，域名系统）就是这样的解决方案。DNS需要实现以下三个主要功能。（1）域名空间：定义一个包括所有可能出现的主机名字的域名空间。（2）域名注册：保证每台主机域名的唯一性。（3）域名解析：提供一种有效的域名与IP地址转换机制。因此，DNS包括域名空间、域名服务器与域名解析程序三个组成部分第二节DNS-域名系统一、DNS概述（一）域名及其结构Internet域名是Internet上每台主机的名字，在全世界，域名是唯一的。域名的形式是由两个或两个以上的部分组成，各部分之间用英文的句号“.”分隔，一个完整的域名，即完全合格域名的形式如下所示：主机名.三级域名.二级域名.顶级域名ICANN定义了域名的命名采用层次结构的方法。每个域都有不同的组织来管理，而这些组织又可将其子域分给下级组织来管理。这样，整个Internet层次结构的名字空间就构成一棵命名树，其中根是无名的，用点“.”来表示，根的下面就是顶级域，如图8-5所示。图8-5DNS域名树第二节DNS-域名系统（二）顶级域名现在的顶级域名有如下三类。（1）国家顶级域名国家顶级域名如cn（中国)、uk（英国）、us（美国）等，共247个。国家顶级域名下注册的二级域名均由该国家自行确定。（2）通用顶级域名通用顶级域名早期有7个，后来由于Internet的用户量及应用急剧增多，又新增了11个通用顶级域名。通用顶级域名如表8-1所示。其中左侧为早期的7个通用顶级域名，右侧11个为新增的顶级域名。表8-1通用顶级域名第二节DNS-域名系统（二）顶级域名现在的顶级域名有如下三类。（1）国家顶级域名国家顶级域名如cn（中国)、uk（英国）、us（美国）等，共247个。国家顶级域名下注册的二级域名均由该国家自行确定。（2）通用顶级域名通用顶级域名早期有7个，后来由于Internet的用户量及应用急剧增多，又新增了11个通用顶级域名。通用顶级域名如表8-1所示。其中左侧为早期的7个通用顶级域名，右侧11个为新增的顶级域名。（3）基础结构域名目前只有一个基础结构域名，即arpa。用于反向域名解析，也就用来实现将IP地址解析为域名，故又称为反向域名。表8-1通用顶级域名第二节DNS-域名系统（三）cn下的二级域名我国将cn下注册的二级域名分为“类别域名”和“行政域名”两类。（1）类别域名，共有7个，分别为ac（科研机构）、com（工、商和金融组织）、edu（教育机构）、gov（政府部门）、net（网络服务机构)、org（各种非营利组织）以及mil（国防部门）。（2）行政域名，共有34个，适用于我国的各省、自治区、直辖市，如bj（北京）、sh（上海）和jx（江西）等。当一个组织拥有一个域的管理权后，它可以决定是否需要进一步划分层次。例如CERNET（中国教育科研网）网络中心将“.edu”域划分为多个三级域，将三级域名分配给各个大学或教育机构。例如：江西财经大学分配的域名为“”，大学或教育机构可以在自己的三级域下进一步划分多个四级域，并将四级域分配给各个下属部门。例如：江西财经大学网站域名为“第二节DNS-域名系统二、域名服务器域名体系是抽象的概念，但具体实现域名系统则是使用分布在各地的域名服务器。从理论上讲，可以让每一级的域名都有一个相对应的域名服务器，使所有的域名服务器构成“域名服务器树”的结构。但这样做会使域名服务器的数量太多，使得域名系统的运行效率降低。因此DNS就采用划分区的办法来解决这个问题。图8-6域与区域的关系第二节DNS-域名系统按照域名的层次，有以下几种特殊的域名服务器（1）本地域名服务器（LocalNameServer，LNS）（2）顶级域名服务器（TLDNameServer，TNS）。（3）根域名服务器（RootNamesever，RNS)。13个根域名服务器还拥有一百多台镜像服务器，镜像服务器就是原根服务器的克隆服务器。这些镜像服务器分布在世界各地，从而实现就近地址解析，其中我国有三个镜像服务器，分别位于北京和香港地区等地。如图8-7所示。图8-7根域名服务器分布图第二节DNS-域名系统三、域名解析将域名转换为对应的IP地址的过程称为域名解析，完成该功能的软件称为域名解析器。在个人计算机Windows操作系统中打开“控制面板”，选择“网络连接”，进入之后再选择TCP/IP与“属性”之后，所看到的DNS地址就是自动获取的本地域名服务器地址。每个本地域名服务器配置一个域名软件。在本地域名服务器实现域名查询时，可以有以下两种方法：迭代查询和递归查询。（1）递归查询客户端向某个DNS服务器发出查询请求后，该DNS服务器就要承担此后的全部工作，直到解析成功或解析失败。当该DNS服务器自身不能解析该请求时，则由该服务器自己充当客户端，向其他DNS服务器提交解析请求直到解析成功或返回一个错误。其解析过程如图8-8所示。图8-8DNS的递归查询模式第二节DNS-域名系统（2）迭代查询客户端向某个DNS服务器发出查询请求，如果该服务器不能解析该请求，则只能返回它认为可以解析的域名服务器的IP地址，通常是它的上一级域名服务器，客户端解析程序就向该域名服务器发出解析请求，直至最终获得需要的解析结果。需要注意的是：为了减轻客户在反复解析过程中的工作负担，实际在软件编程中，采用在客户向本地域名服务器提出解析请求之后，仍然由本地域名服务器完成反复解析的任务，最后再将最终解析结果返回给客户。图8-9给出过程示意图。图8-8DNS的递归查询模式第二节DNS-域名系统四、域名缓存为了提高DNS查询效率，并减轻根域名服务器的负荷和减少Internet上的DNS查询报文数量，在域名服务器以及主机中广泛使用高速缓存机制。高速缓存用于存放最近查询过的域名以及从何处获得域名映射信息的记录。当同一客户端或其他客户端请求同一映射时，它会首先检查本地高速缓存并解析这一请求。为了标识这一解析结果来自高速缓存，服务器会将这一解析结果标识为“非权威的”（Unauthoritative）。另外，高速缓存还为缓存中的映射记录设置了一个生存期，当生存期到时后，高速缓存就会清除该过期的记录。有了域名缓存后，主机在进行域名解析时，先使用自己的域名缓存进行解析，如果不能解析时，才会请求本地域名服务器。本地域名服务器也会首先在自己的高速缓存中查找记录，如果没有再向上一级域名服务器发出请求。这样大大提高了DNS查询效率。PART3

TELNET—远程登录协议第三节TELENT-远程登录协议一、TELNET概述TELNET协议出现在上个世纪60年代后期，那时个人计算机PC还没有出现。当时使用的是大型计算机，大型计算机的使用必须通过直接连接到主机的某一个终端设备，在输入用户名与密码登录成为合法用户之后，才能将软件与数据输入到主机中，完成科学计算的任务。当用户需要使用多台计算机共同完成一个较大的计算任务时，需要调用远程计算机与本地计算机协同工作。当这些大型计算机互连之后，就需要解决一个问题，那就是不同型号计算机之间的差异性问题。TELNET协议是1969年在ARPANET演示的第一个应用程序。为了解决异构计算机系统互连中存在的问题，人们研究了TELNET协议。TELNET协议引入网络虚拟终端（networkvirtualterminal，NVT）的概念，它提供一种专门的键盘定义，用来屏蔽不同计算机系统对键盘输入的差异性，同时定义客户与远程服务器之间的交互过程。TELNET协议的优点就是能解决不同类型的计算机系统之间的互操作问题。第三节TELENT-远程登录协议二、TELNET工作原理远程登录服务采用典型的客户/服务器模式。图8-10给出了TELNET协议的工作原理示意图。用户的实终端（realterminal）采用用户终端的格式与本地TELNET客户通信；远程计算机采用主机系统格式与TELNET服务器通信。在TELNET客户进程与TELNET服务器进程之间，通过网络虚拟终端（NVT）标准来进行通信。NVT是一种统一的数据表示方式，以保证不同硬件、软件与数据格式的终端与主机之间通信的兼容性。图8-10TELNET协议的工作原理第三节TELENT-远程登录协议二、TELNET工作原理远程登录服务采用典型的客户/服务器模式。图8-10给出了TELNET协议的工作原理示意图。用户的实终端（realterminal）采用用户终端的格式与本地TELNET客户通信；远程计算机采用主机系统格式与TELNET服务器通信。在TELNET客户进程与TELNET服务器进程之间，通过网络虚拟终端（NVT）标准来进行通信。NVT是一种统一的数据表示方式，以保证不同硬件、软件与数据格式的终端与主机之间通信的兼容性。图8-10TELNET协议的工作原理PART4

FTP—文件传输协议第四节FTP-文件传输协议一、FTP概述FTP使用C/S模式，但它比较复杂。FTP在客户端与服务器之间建立两条TCP连接，其一条TCP连接为数据连接，用于传输数据；另一条为控制连接，用于传输控制信息（命令和响应）。数据与控制信息分开传输可以使FTP的效率更高。FTP使用TCP服务，FTP服务器使用两个熟知TCP端口进行通信，其中，21端口用于控制连接，20端口用于数据连接。如图8-11所示为FTP的基本模型，客户端由用户界面、控制进程和数据传输进程三个部分组成。服务器端由控制进程和数据传输进程两个部分组成。控制连接作用于控制进程之间，而数据连接作用于数据传输进程之间。图8-11FTP的基本模型第四节FTP-文件传输协议二、FTP工作原理FTP的控制连接通信通过使用ASCII字符集的命令和响应完成，每次只发送一个命令或响应，每个命令或响应只是一个短的ASCII字符串行，因此不需要担心文件格式或者文件结构，每一行结束于一个双字符的行结束标记（回车或换行）。数据连接通信比控制连接通信要复杂得多，在通过数据连接发送文件之前，需要由控制连接完成传输准备工作，包括定义传输文件的类型、数据结构和传输模式。三、FTP应用程序大多数操作系统均提供了访问FTP服务的用户界面，例如Windows操作系统的CMD命令行。用户输入一行ASCII字符命令，CMD命令行就会读取这一命令行，并将其转换成相应的FTP命令。对于客户端应用程序，Windows环境下常用的有FlashFXP、FileZillaClient和CuteFTP等。服务器端的FTP应用程序主要有Serv-u、FileZillaServer和IIS中的FTP组件等。常用的迅雷下载也是基于FTP协议的应用软件。PART5

E-mail—电子邮件第五节E-MAIL-电子邮件一、E-mail概述对于人类来说，在Internet上创建一个生活中很熟悉的系统是很自然的事。在日常生活中人们都需要通过邮政系统去收发信件，因此自然也会想在网络上建立一个电子邮件系统。世界上第一个电子邮件系统是在早期大型计算机多用户系统上开发的。在这种系统中，操作人员可以在同一台大型计算机上的多个终端设备相互之间交换邮件信息。当ARPANET上电子邮件应用一出现，立即受到用户的欢迎，成为最重要的网络应用之一。我国接入Internet网的第一个操作就是发送了一封电子邮件，主题就是：跨越长城，走向世界。Internet邮件服务最大的优势在于：不管用户使用任何一种计算机、操作系统、邮件客户端软件或网络硬件，用户之间都可以方便地实现电子邮件的交换。目前，电子邮件仍然是Internet上最为广泛的网络应用之一。Internet电子邮件系统已经包含附件、超链接、文本与图片。在多数情况下，电子邮件是以文本为主，同时也能够传输语音与视频。第五节E-MAIL-电子邮件二、电子邮件的工作过程电子邮件系统分为两个部分：邮件服务器端与邮件客户端。在邮件服务器端，包括用来发送邮件的SMTP服务器，用来接收邮件的POP3服务器或IMAP服务器，以及用来存储电子邮件的电子邮箱；在邮件客户端，包括用来发送邮件的SMTP代理，用来接收邮件的POP3代理，以及为用户提供管理界面的用户接口程序。图8-12给出了电子邮件工作原理。图8-12电子邮件系统的组成构件第五节E-MAIL-电子邮件三、SMTP协议、POP3协议和IMAP协议（一）SMTP协议SMTP（SimpleMailTransferProtocol，简单邮件传输协议）是一个基于TCP支持的提供可靠电子邮件传输的应用层协议，主要用于传输系统之间的邮件信息传送。（二）POP3协议通常用户访问邮箱并接收邮件都使用POP（PostOfficeProtocol，邮局协议），POP是TCP/IP协议族中的一员，它建立在TCP连接之上，使用C/S模式，向用户提供对邮件服务器的远程访问服务，目前常用的版本是POP3。（三）IMAP协议IMAP（InternetMailAccessProtocol，Internet邮件访问协议）运行在TCP/IP之上，使用的端口是143。其主要作用是支持邮件客户端从邮件服务器上收取邮件。第五节E-MAIL-电子邮件四、基于Web的电子邮件20世纪90年代中期，Hotmail开发了基于Web的电子邮件系统。目前几乎每个门户网站与大学、公司网站都提供基于Web的电子邮件，越来越多的用户使用Web浏览器来收发电子邮件。在基于Web的电子邮件应用中，客户代理就是Web浏览器，客户与远程邮箱之间的通信使用的是HTTP，而不是POP3或IMAP。邮件服务器之间的通信仍然使用SMTP。PART6

Web—网页第六节Web-网页一、Web概述万维网（WorldWideWeb）常简称为WWW或Web，WWW是Internet发展中的一个重要里程碑，是目前Internet最主要的应用。其最显著的作用就是将原本相当复杂的Internet应用变成了极其简单的图形界面方式。正是因为WWW的出现，Internet才得到了广泛的应用，改变了人们的生活方式，真正实现了“科技改变生活”。在WWW中，每个WWW文档均称为“资源”，为标识这些资源，WWW使用了统一资源定位符（UniformResourceLocator，URL），使得每一个资源在Internet范围内都具有唯一的标识。这些资源之间通过称为“超链接”的指针相互连接在一起，用户通过单击超链接，就可以实现从一个资源跳转到另一个资源。为了使WWW文档能在Internet上传送，实现各种超链接，WWW使用超文本传输协议（HyperTextTransferProtocol，HTTP），客户端和服务器端程序之间的交互遵循HTTP。WWW文档的基础编程语言是超文本标记语言（HyperTextMarkupLanguage，HTML)，现在又扩充了各种编程语言，例如Java等。第六节Web-网页二、统一资源定位符统一资源定位符（UniformResourceLocator，URL）是对Internet资源的位置和访问方法的一种简洁的表示，是Internet上资源的标准地址。URL由两部分组成，第一部分为模式（或称协议），第二部分包含资源所在服务器的域名（或IP地址）、路径和资源名称，两部分之间用“://”隔开。形式如下，其中，[]中的内容是可选的。协议://[用户名:例如：URL的第一部分，即模式（或协议）指明浏览器该如何访问这个资源。最常用的协议是HTTP，其他协议如表8-2所示。表8-2URL支持的常用访问协议第六节Web-网页三、超文本传输协议超文本传输协议（HTTP）是互联网上应用最为广泛的一个网络协议，主要用于访问WWW上的数据，该协议可以传输普通文本、超文本、图像、音频和视频等格式数据。之所以称为超文本协议，是因为在应用环境中，它可