南京理工大学《计算机网络》课件-第二章 应用层20

第2章应用层

本章主要学习有关网络应用的原理和实现方面的知识。

主要内容：

•应用层概念:应用层协议、客户机与服务器、进程、套接字(socket)

和运输层接口。

♦应用程序:Web、电子邮件、域名系统DNS及P2P对等文件共享;

•开发网络应用程序的方法:套接字API编程；

2.1应用层协议原理

研发网络应用程序的核心:写出能够运行在不同端系统，并通过网

络相互通信的程序。

例如，Web应用程序：由两个可以相互通信的程序组成。

•浏览器程序:运行在用户主机上；

•Web服务器程序:运行在Web服务器主机上。

其他,如P2P等。

应用程序软件只在端系统运行，不能在网络核心设备上运行C

如图2.1。

2.1.1网络应用程序体系结构

网络应用程序体系结构：由应用程序研发者设计，规定如何.在各种

端系统上组织该应用程序O

类型：

＞客户机/服务器体系结构：一个服务器，多个客户机。

•服务器主机:总是打开。为来自许多其他客户机主机的请求提供

服务。

・客户机主机:可以总是打开或有时打开。向服务器主机发出请求。

如，Web应用程序：总是打开的Web服务器为运行在客户机主机上

的浏览器的请求提供服务（接收客户机请求，并发送响应结果）。

特点•.

•客户机之间不能直接通信;

•服务器具有固定、周知的地址，即IP地址。

如图2・2a。

a）客户机/服务器应用程序b）对等应用程序

图2-2a）客户机/服务器体系结构；b）P2P体系结构

生物群巢（serverfarm,凝务器场）：创建强大的虚拟服务器。解决

一台服务器主机跟不上所有客户机请求的情况。

＞纯P2P结构（peer・to・peer）：没有一个总是打开的服务器。任意一对

主机（对等方）可直接通信。如图2-2b。

如，公共域文件共享应用程序Gnutella。

特点：不要求任何主机总是打开；

参与的主机每当加入时都有可能改变其IP地址。

可扩展性。

难于管理。

＞客户机/服务器和P2P体系结构的混合：

如：Tapster(MP3文件共享)和即时讯息应用程序。

2.1.2进程通信

进程(process)：运行在端系统中的程序。

,相同端系统中进程间通信•,由操作系统控制；

•不同端系统上进程间通信.♦通过跨网络交换报文(message)通信。

♦发送进程：产生报文并向网络发送；

♦接收进程：接收报文，并回送报文。

如图2-1。

1、客户机和服务器进程

•网络应用程序由成对的进程组成，并通过网络相互发送报文。

如，Web应用程序：一个客户机浏览器进程与一个服务器进程交换

报文。

•两个通信进程分别标示为客户机和服务器。

如，Web应用程序：浏览器是一个客户机进程，Web服务器是一个

服务器进程。

P2P文件共享：下载文件的对等方标示为客户机，上载文件的对

等方标示为服务器。一个进程可以是客户机，也可能是服务器。

♦客户机、发起通信(即在会话开始时，开始与其他进程联系)的

进程。

♦服务器・在.会话开始时等待其他进程联系的进程。

如，Web中：一个浏览器进程向某个WebJ艮务器进程发起联系。

客户机服务器

P2P文件共享：对等方A请求对等方B发送某个文件。

客户机服务器

2、套接字

进程通过它的套度字在网络上发送和接收报文。

关系:进程比作房子,套接字是进程的门户。

如图2-3o

♦发送进程:把报文推出门户（套接字）。（发送报文）

・传送报文:通过下面网络把报文传送到目的进程门口。

♦接收进程:通过其门户（套接字）接收。（接收报文）

＞套接字（SOC&。：是同一台主机内应用层与运输层之间的接口。

是在网络上建立网络应用程序的可编程接口，也叫应用程序和网络

之间的应用瘗序疹〃4P/（applicationprogrammer'sinterface）o

•应用程序开发者可以控制套接字应用层端的全部；

•对该套接字的运输层端几乎丕能控制（只能选择运输层协议、设

定几个运输层参数等）。

•应用程序开发者选择了一个运输层协议，则应用程序就建立在由

该协议提供的运输层服务之上。

3、进程寻址

•主机上的进程有多个。需要区分每一个进程。

源主机匕的进程向目的主机上的进程发送报文时，应带有接收进程

的识别信息。

•网络中的主机有多个,每个主机上有多个进程。

＞进程寻址过程：

确定主机今确定进程

＞进程识别信息：

•主初名祢或您统：网络中的哪二个主机。

因特网中，主机用/P幽况进行标识（32位，全球惟一）。

•进程的标识:主机中的哪一个进程。

因特网中，采用裸Z7号（portnumber）。

♦常用的应用程序被指派专门的端口号（周知端口）。

例如：Web服务进程（HTTP协议）月的是80号端口；

邮件服务进程（SMTP协议）用的是25号端口。

♦创建二个新的网络应用程序U、须赋予二t新的遍旦号。

4、用户代理（useragent）

是用户与网络应用程序之间的接口。例如,

•Web应用的用户代理•.是一些浏览器软件。一个通过套接字收发

报文同时提供用户接口的进程。

,电子邮件应用程序用户代理是“邮件阅读器:允许用户进行邮

件的撰写和阅读。

2.1.3应用层协议

应用层协议：定义了运行在不同端系统上的应用程序进程间互相传

递报文的方式。

具体内容:

•交换的报文类型:如请求报文和响应报文；

•各种报文类型的语法:如报文中的各个字段及其详细描述；

•字段的语义:即字段包含信息的含义：

•进程何时、如何发送报文及对报文进行响应的规则。

说明••

・标准文档RFC文档定义的协议，可应用于公共领域。如HTTP。

•专用应用层协议，如P2P使用的协议。

・应用层协议是网络应用的一部分。

例如，Web应用：是一种允许客户机按照需求从Web服务器获得“文

档”的网络应用。

组成包括：HTML、Web浏览器、Web服务器程序，以及一个应用

层协议HTTP（超文本传输协议）等部分。

HTTP定义了在浏览器程序和Web服务器程序间传输的报文格式和

序列。

2.1.4应用所需要的服务

套接字:是应用程序进程和运输协议之间的接口（门户）。

•发送端的应用程序通过该门户发出报文，由运输协议跨越网络将

报文传输到接收进程的门户。

•网络应用需要使用运输协议所提供的服务。运输协议有多种，提

供的服务不同，需适当选择。

应用程序服务要求：

＞可靠的数据传输

即无数据丢失。

•数据不能丢失的应用:如文件传输、电子邮件及金融事务等。

•成密税教符丢失走或曲loss-tolerant叩plication）：如多媒体应用。

＞带宽

有些应用必须以特定的速率传输数据。

•帝第敏感的应物bandwidth-sensitive叩plication）：需要特定的带宽

才能正常工作。如，因特网电话、其他多媒体应用；

,岸拴应用（elasticapplication）：使用的带宽多或少影响不大。如电

子邮件、文件传输以及Web传输。

＞定时

有些应用对数据传输有严格的时间限制。

,交互式实时应用,•对时间敏感，要求端到端时延在几亘耋秒或更

小。如，因特网电话、虚拟环境、视频会议以及多方游戏等。

•非实时应用:端到端时延无约束，时延低更好。

图2-4总结了一些流行的和新兴的因特网应用三方面的要求。

应用数据丢失带宽时间敏感

文件传输不能丢失弹性无

电子邮件不能丢失弹性无

Web文档不能丢失弹性(几kbrt/s)无

实时音物视频容忍丢失音频(几kbrt/s-lMbrt/si是，100ms左右

视短(10kbrt/s-5MbiVs)

样储音刖视频容忍丢失同上是,几秒

交互式游戏容忍丢失几kbit/s-10kb<Vs是，100ms左右

即时讯息不能丢失弹性是或不是

图2.4部分网络应用的要求

2.1.5因特网运输协议提供的服务

两个运输层协议,•用户数据报协议UDP(UserDatagrameProtocol)和

传输控制协议TCP(TransmissionControlProtocol)o

每个协议为调用它们的应用程序提供不同的服务模型。

在创建一个新的因特网应用时，要选择其中一个。

1、TCP月艮务

提供的服务：

＞面向连接的服务：三阶段

,建立连接(握手过程):客户机程序和服务器程序之间互相交换控

制信息，在两个进程的套接字之间建立一个TCP连接。

・传输报文:连接是全双工的，即连接双方的进程可以在此连接上

同时进行报文收发。

•拆除连接应用程序报文发送结束。

＞可靠的传输服务：通信进程以无差错、按适当顺序交付发送的数据。

拥塞控制,,当发送方和接收方之间的网络出现拥塞时，会抑制发送

进程速率。

TCP协议不适合实时应用。

未提供的服务：

＞没有确保最小传输速率：发送进程受拥塞控制机制制约；

＞不提供时延保证:数据传输的时间不确定。

结论：TCP协议能保证交付所有的数据，但并不保证这些数据传输

的速率以及期待的传输时延。

2、UDP月艮务

提供最小服务模式运行。

♦无连接：两个进程通信前没有握手过程；

・不可靠数据传输..不保证报文能够被接收，或收到的报文是乱序到

达。

•没有拥塞控制机制••发送进程可以任何速率发送数据；

•不提供时延保证:

适于实时应用。

图2-5列出一些因特网应用及所用的协议。

应用应用层协议下层运输协议

电子晶件SMTP[RFC2821]KP

近程终♦访问Telnet[RFC854]KP

WebHP[RFC2616]TCP

文怫■叫RFC959）TCP

远程文件服务器NFS[McKusik1996]]DDP

濠式多集体通常专用（例如,ReadNetworks）UDP

因将网电话通常专用（例如,Dialpad）通常UDP

2.1.6本书介绍的网络应用

Web、文件传输、电子邮件、目录服务、对等文件共享等五个。

2.2Web应用和HTTP协议

Web产生于20世纪90年代初期。

­改变了人们与工作环境内外的交流方式；

•提升因特网地位；

•生活和工作发生变化；

•方便、快捷得到所需要的信息；

•任何人在Web上发布信息；

•超链接和搜索引擎帮助人们浏览Web站点。

2.2.1HTTP概况

HTTP（超文本传输协议）：应用层协议，是Web的核心。

>组成：

客户机程序和服务器程序,分别运行在不同的端系统中，通过交换

HTTP报文进行会话。

HTTP协议定义了报文的格式以及客户机和服务器进行报文交换的

方式。

>Web常用术语：

•Web页（文档）：由对象组成。

对象,,是文件。通过一个URL地址来寻址。如HTML文件、JPEG

图形文件、Java小程序等。

♦Mb”页含有二个菱械上（徵区戈企及几个引用对象。

例如，一个Web页包含HTML文本和5个JPEG图形文件（即有6

个对象）。

♦在基本的HTML文件中，通过对象的URL地址来引用。

♦URL地址组成：存放对象的服务器主机名和对象的路径名

如http://www.someS/somedepartment/picture.gif

主机名路径名

•浏览器（客户机）：是Web应用的用户代理，用于显示所请求的web

页，提供导航功能和配置属性。

实现了HTTP协议的客户机端。

•Web服务器：用于存贮Web对象（由URL寻址），实现HTTP协议的

服务器端。

HTTP协议定义Web客户机（浏览器）如何向Web站点请求Web页，

以及服务器如何将Web页传送给客户机。

＞客户机和服务器之间交互过程：运行ApacheWeb

服务器的服务器

如图2-6o

・客户机:用户请求一个Web

页（如点击一个超链接），浏览器向

服务器发出对该页所含对象的

“HTTP请求报文”；

运行Explorer运行Navigalor

•服务器:接受请求，并用包的PC的Mac

图2dHTTP的请求一响应行为

含这些对象的“HTTP响应报文”响

应。

>HTTP版本：

•HTTP1.()：1997年前使用。

•HTTP1.1：1998年以后使用，向下兼容，目前占主导。

说明：

•HTTP协议使用的底层运输协议是TCP。

•HTTP客户机先与服务器建立,TCP连接，然后，浏览器和服务器进程

通过套接字访问TCP：如图2-3

♦客户机的套接字接口是客户机进程与TCR连接之间的「」［户”，

客户机从该套接字接口发送“HTTP请求报文”和“接收响应报文”；

♦服务器的套接字接口是服务器进程与TCP连接之间的“门户”,

服务器从该套接字口接收“HTTP请求报文”和“发送响应报文”。

•TCP提供可靠的数据传输服务:客户机进程和服务器进程发出的每个

HTTP报文能完整地到达对方。

•HTTP是双修物泌服务器不保存关于客户机的任何信息。

Web使用客户机/服务器结构,Web服务器总是打开，有一个固定

史地址，为多个浏览器服务。

2.2.2非持久连接和持久连接

1、非持久连接：

例，从服务器向客户机传送Web页：

设该页含有一个基本HTML文件和10个JPEG图形，11个对象位

于同一个服务器上。HTML文件的URL为：

http://www.someS/someDepartment/home.index

步骤：

①建立TCP连接:客户机在端口号80（HTTP的默认端口）发起一

个到指定服务器的TCP连接；

②客户机发出“HTTP请求报文”（含路径名）：通过与该TCP连接

绑定的套接字向服务器发送：

③服务器会送“HTTP响应报文”：通过与该连接绑定的套接字获取

请求报文，从存储器中检索出相关对象，封装成响应报文，通过其套接

字向客户机发送；

@断开TCP连接:服务器通知TCP断开（在确认客户机已经收到响

应报文时真正断开）；

⑤客户机收到响应报文，TCP连接关闭。客户机从响应报文中提取

出HTML文件，得到对1（）个图形的引用；

⑥对每个对象重复前4步。

浏览器收到Web页后，将该页显示给用户。不同的浏览器显示形式

可能不同，HTTP协议不负责浏览器的解释。

说明：

・每个TCP连接只传输一个请求报文和一个响应报文；

上例中，要建立11个TCP连接。

•浏览器可同时打开多个连接:

并行的TCP连接：并行数大于1。默认打开5〜10个。

串行的TCP连接：最大并行数为1。

请求一个HTML文件所需时间：

即从客户机请求基本HTML文件开始，到用户收到整个文件为止所

花时间。

•往返时延RTT,.一个小分组从客户机到服务器，再回到客户机所

花时间。包括传播时延、排队时延以及处理时延。

如图2.7。

♦“三次握手”过程:

客户机发送一个小TCP报文段到服务器今服务器回送一个小TCP

报文段做出确认和响应玲客户机向服务器返回确认（“请求”与“确认”

结合）

•总响应时间：两个RTT时延加上服务器发送文件的时间

非持久连接缺点：

•服务器负担重每一个请求对象建立和维护一个新的连接。

•每一个对象的传输时延长:包含两个RTT时延，一个用于TCP建

立，一个用于请求和接收对象。

2、持久连接

•服务器在发送响应后保持该TCP连接

相同客户机与服务器之间的后续请求和响应报文通过相同的连接进

行传送。

如，一个Web页的所有对象可以通过一个持久TCP连接传送。

或同一服务器上的多个Web页也可以通过一个持久TCP连接传送给

同一个客户机。

♦连接经一延时间间隔(超时间隔)未被使用、隈先箱就关闭该连接。

持久连接两种方式：

>非流水线方式(withoutpipelining)：客户机只能在前一个响应接收到

之后才能发出新的请求。

•客户机为每一个引用对象的请求和接收只使用一个RTT时廷。

•会浪费一些服务器资源：服务器在发送完一个对象，等待下一个

请求时，会出现空闲状态。

>流水线方式(withpipelining)：

•客户机可一个接一个连续产生请求(只要有引用就产生)，即在前

一个请求接收到响应之前可以产生新的请求。

•服务器二个接二个连续发送相应对象。

特点:

•所有引用对象可能只花费一个RTT时延。

•TCP连接空闲时间很短。

HTTP1.1默认方式：流水线方式的持久连接。

223HTTP报文格式

两种报文：HTTP请求报文、HTTP响应报文。

2.2.4用户与服务器交互：Cookie

HTTP服务器是无状态的。

Cookie目的:允许Web站点跟踪、识别用户；服务器可以限制用户

访问，或把内容与用户身份关联。

2.2.5HTTP内容

•传输Web页面所含对象:如HTML文件、JPEG文件、Java小应用

程序等等。

•可以传输其他类型的文件：如传输XML(可扩充的标识语言)文件。

•P2P文件共享中，作为文件传输协议使用。

•用于流式存储的音频和视频°

2.2.6Web缓存

•Web缓存器(Nebcache)：也叫代理服务器(proxyserver)

是能够代表起始旅务麝来满足HTTP请求的网络实体。保存最近请

求过的对象的副本。

起始服务器(originserver)：对象起始放置，并且在其中始终保持对

象拷贝的服务器。

客户机通过Web缓存器请求对象：

对用户浏览器进行配置,使用户

的所有HTTP请求均首先指向该代理

服务器

Web缓存器，即浏览器对每一个对

客户机起始

象的请求首先被定向到该Web缓存服务器

器。

客户机起始

服务器

图240京户机通过Web缓存器谙求对象

操作过程：

例：假设浏览器请求对象/campus.gif

Q浏览器:建立一个到该Web缓存器的TCP连接，并向Web缓存器中

的该对象发送一个HTTP请求；

②Meb缓存器:检查本地是否存储了该对象的拷贝。

•有：缓存器就用HTTP响应报文向客户机浏览器转发该对象；

•没有：与该对象的起始服务器打开一个TCP连接。

客户机—fWeb缓存器-f起始服务器

♦Web缓存器在TCP连接上发送获取该对象的请求。

♦起始服务器收到请求，向Web缓存器发送具有该对象的HTTP

响应。

♦Web缓存器接收该对象，存储一份在本地中，并通过HTTP响应

报文向客户机浏览器转发该对象（通过已经建立的TCP连接）。

说明：

>Web缓存器既可以是服务器也可以是客户机:

•当它接收浏览器请求并发回响应时，是服务器；

•当官向起始服务器发出请求并接收响应时，是客户机。

AWeb缓存器由1SP购买并安装:例如，在大学校园网上安装。

Web缓存优点：

•减少对客户机请求的响应时间:

客户机—Web缓存器起始服务器

•减少机构的内部网络与因特网连接链路上的通信量

降低开销，改善各种应用的性能。

例图2・11,包括两个网络：机构的内部网络和因特网。

起始服务器

•机构内部网络•.是一个高速的局域网。Ai

其路由器与因特网上的路由器通过公共因特网

一条1.5Mbps的链路连接。

•起始服务器:与因特网相连，遍布全

球。

机构网络

图2-II机构网络与因特网之间的版为（

假设:

•对象长度为lOOkb,机构内浏览器对对象的平均访问速率为每秒

15个请求；

•机构内的HTTP报文小，可以忽略，不会在网络中以及接入链路

（从机构内部路由器到因特网路由器）上产生通信量；

・从因特网路由器转发HTTP请求报文，到收到其响应报文的时间

平均为2s（因特网时延）。

总的响应时间（浏览器从请求一个对象到接收到的时间）：

局域网时延+接入链路时延（两个路由器之间的时延）+因特网时延

•局域网流量强度:

（15请求/s）X（1OOkb/请求）/（1OMbit/s）=O.l5

•接入链路的流量强度（从因特网路由器到机构路由器）：

（15请求/s）义（1OOkb/请求）/（1.5Mbit/s尸1

•局域网时延:

强度为（）.15的通信量最多导致数十毫秒的时延，可以忽略。

・接入链路时延:

流量强度接近1,链路时延会非常大或无限增长。

总响应时间=接入链路时延+因特网时延

造成满足请求的平均响应时间以分钟计，用户很难接受。

改进方法一：增加接入链路的速率，如从1.5Mbps增力口至U10Mbps,使链

路上的流量强度减少到0.15,链路时延也可以忽略了。

总我应玲7%因特网时延=2秒钟

机构必须用较大投资，成本昂贵。

改进方法二：在机构网络中安装一个Web缓存器。如图2/2。

起始服务器

•Web缓存器的命中率・.缓存器满

足请求的比率。通常为0.2〜0.7。

设该机构缓存器的命中率为().4。公共因特网

•局域网时延:由于客户机和缓存1.5Mb/s接入送路

T

器位于同一个高速局域网上，40%的请

|10Mb/$马城网

求几乎会立即得到响应，时延约在

以内。

10ms机构网络机构缓存爆

剩下的60%请求需要通过访问起

图2-12为机构网络添加一台缓存器

始服务器才能满足。

•接入链路时延:

只有60%的请求对象通过接入链路传送，流量强度从1.0减小到0.6。

通常，在1.5Mbps链路上，当流量强度小于().8时，时延很小(约

几十毫秒)，可忽略。

平均时延为：0.4X(0.010s)+0.6X(2s+0.01s)=1.21s

响应时延低于第一种解决方案(约2s)。

Web缓存器成本低:通过在PC机上运行公共领域软件。

2.2.7条件GET方法

高速缓存能减少用户感受到的响应时间，但存放在缓存中的对象拷

贝可能是陈旧的。即保存在服务器中的对象可能已经被修改。

条件GET方法:允许缓存器证实其对象都是最新的。例：

＞一个代理服务器代表一个请求浏览器，向某个Web服务器发送一个请

求报文：

GET/fruit/kiwi.gifHTTP/I.l

Host:www.exotiquecuisine.coni

＞该Web服务器向该缓存器发送携带被请求对象的响应报文：

HTTP/1.1200OK

Date：Mon,7Jul200315:39:29

Server:Apache/1.3.0(Unix)

Last-Modified:Wed,2Jul200309:23:24

Content-Type:image/gif

(datadatadatadatadata・•・)

＞缓存器在将对象转发到其他浏览器的同时，也将该对象保存到本地缓

存中(包括对象的最后修改时间)。

＞一个星期后，用户再次请求该对象(仍保留在缓存中)，为检查位于

Web服务器中的该对象是否已经被修改，缓存器发送一个条件GET：

GET/fruit/kiwi.gifHTTP/1.1

Host:

If-modified-since:Wed,2Jul200309:23:24

告诉服务器，仅当自指定日期之后该对象被修改过，才发送该对象。

＞设该对象自指定日期后未被修改，Web服务器向该缓存器发送一个响

应报文：

HTTP/1.1304NotModified

Date:Mon,14Jul200315:39:29

Server:Apache/1.3.0(Unix)

（实体主体为空）

该Web服务器发送一个响应报文，但并没有包含所请求的对象，并

指出该对象未修改，缓存器可以使用该对象的拷贝。

2.3文件传输协议：FTP

FTP会话：位于本地主机上的用户，向远程主机上传或者下载文件。

用户通过一个FTP用户代理与FTP服务器交互,过程如图2-13。

各地文件系统远程文件系统

图"13使用FTm■仅在本地和远程文件系统中移动文件

,用户提供远程主机的主机名:在本地主机的FTP客户机进程与远

程主机FTP服务器进程之间建立一个TCP连接；

,提供用户标识和口令:在该TCP连接上向服务器传送。

•服务器验证通过后,进行文件传送（双向）:

将本地文件系统中的文件传送到远程文件系统；

从远程文件系统中得到文件。

FTP与HTTP共同点：都是文件传输协议，并运行在TCP上。

主要区别：

>FTP使用了两个并行的TCP连接・.

•控制连接(controlconnection)：用于在两主机间传输控制信息(如

用户标识、口令等)；

.TCP控制连接闻口21建

TCP数鬣连指端口20・

FTPFTP

客户机?服务J8

在用户主机与远程主机开始FTP会话前，FTP的客户机与服务器在

21号端口上建立一个用于控制的TCP连接。

FTP的客户机通过该连接发送用户标识和口令，或改变远程目录的

命令。

•数据连接(dataconnection)：用于准确传输文件。

当FTP的服务器从该连接上收到一个文件传输的命令后(从远程主

机上读或写)，就发起一个到客户机的数据连接。

在该数据连接上准确地传送一个文件并关闭连接。

•控制连接是持久的:在整个用户会话期间一直保持；

数据连接是非持久的:会话中每进行一次文件传输，都需要建立一

个新的数据连接。

>FTP的控制信息是带外传送(out-of-band)：

使用分离的控制连接；

HTTP的控制信息是带内传输Hn-bag)：

请求和响应都是在传输文件的TCP连接中发送。

>FTP协议是有状态的:

FTP服务器对每个活动用户会话的状态进行追踪，并保留；限制同

时会话的总数。

HTTP协议是无状态的:不对用户状态进行追踪。

2.4因特网中的电子邮件

电子邮件快速，便宜，可以一次发送给多个接收方，包含附件、超

链接、图像、声音、视频等等。

本节讨论电子邮件的核心，即应用层协议。

因特网电子邮件系统的总体结构;用户代理、邮件服务器和简单邮件传

输协议SMTP。如图2-15。

图2J2因特网电子Ml件的总”一述

1、用户代理(useragent)

也怛邮件阅读器。

允许用户阅读、回复、发送、保存和撰写报文。

•当用户完成邮件撰写时，邮件代理向其邮件服务器发送邮件，并

存放在发送队列中。

•当用户想读取一条报文时，邮件代理从其邮件服务器的邮箱中获

取该报文。

用户代理种类：

PUI(图形用户接口)的用户代理:阅读和编写多媒体邮件。如Outlook

等。

•基于文本的用户代理:如Mail等。

2、邮件服务器(mailserver)

是电子邮件体系结构的核心。

每个用户在某个邮件服务器上有一个赧软mailbox),管理和维护发

送给该用户的报文。

邮件发送主要过程:

从发送方用户代理开始一经发送方的邮件服务器-转发到接收方的

邮件服务器一分发到接收方的邮箱中

•若邮件投递失败，发送方的邮件服务器将其保存在一个报文队列

中，以后每30分钟再发送一次，若几天后仍未成功，将该报文删除，并

通知发送方。

•当用户访问自己的邮箱时，邮件服务器对其身份进行验证(用户名

和口令)。

3、简单邮件传送协议SMTP(SimpleMailTransferProtocol)

是因特网电子邮件的主要应用层协议。

使用TCP可靠数据传输服务，从发送方的邮件服务器向接收方的邮

件服务器发送邮件。

包括两部分:

・客户机端：运行在发送方邮件服务器上；

・服务器端:运行在接收方邮件服务器上。

每个邮件服务器上都有SMTP的客户机端和服务器端。

2.4.1SMTP

SMTP是因特网电子邮件应用的核心。

把一封邮件从发送邮件服务器传送到接收邮件服务器的过程:

＞发送方：

•启动邮件代理程序，提供接收方的邮件地址，撰写邮件；

•通过用户代理把报文发给其邮件服务器，并放在报文发送队列中；

•邮件服务器上的SMTP客户机端发现了队列中的报文，创建一个

到接收方邮件服务器上的SMTP服务器的TCP连接（在25号端口）。

•客户机和服务器进行初始SMTP握手（指明收发双方的抠件地

址），客户机通过该TCP连接发送报文。

＞接收方：

•在接收方的邮件服务器上，SMTP的服务器端接收该报文，并放

入相应邮箱。

•接收方调用用户代理阅读该报文。

说期SMTP•丕使用空间邮件服务器发送邮件，即TCP连接是从发

送方到接收方的直接相连。

如果接收方的邮件服务器没有开机，该邮件仍保留在发送方邮件服

务器上，并在以后进行再次传送。邮件不会在某个中间邮件服务器停留。

2.4.2SMTP与HTTP比较

共同点：

＞都用于从一台主机向另一台主机传送文件

•HTTP用于从Web服务器向Web客户机（浏览器）传送文件（对象）;

•SMTP用于从一个邮件服务器向另一个邮件服务器传送文件（电子

邮件报文）。

＞持久HTTP和SMTP都使用持久连接

区别：

＞HTT尸定投协次（pullprotocol）：用户使用HTTP从服务器拉取信息。

其TCP连接是由想获取文件的机器发起。

尸溟推协爱（pushprotocol）：发送邮件服务器把文件推向接收邮件

服务器，其TCP连接是由要发送文件的机器发起。

＞SMTP使用7^ASCII码格式•.

对一些包含了非7位ASCII字符的报文或二进制数据（如图片、声

音），需要按照7位ASCII码进行编码，再传送。

在接收方需要解码还原为原有报文。

HTTP数据没有该限制。

>对含有文本和图形（或其他媒体类型）的文档:

•HTTP把每个对象封装到它自己的HTTP响应报文中；

•电子邮件则把所有报文对象放在一个报文中。

2.4.3邮件报文格式和MIME

MIME（多用途因特网邮件扩展）：用于非ASCII数据扩展。

例，发送一个JPEG图形的邮件。

From:alice@crepes.fr

To:bob@

Subject:Pictureofyuiranycrepe.

MIME-Version:1.0

Content-Transfer-Encoding:base64

Content-Type:image/jpeg

（base64encodeddata...........

.........base64encodeddata）

接收的报文：

Received:fromcrepes.frby;12Oct9815:27:39GMT

From:alice0crepea.fr

To:bob?

Subject:Pictureofyummycrepe.

MIME-Version:1.0

Content-Transfer-Encoding:base64

Content-Type:image/jpeg

base64encodeddata......

......base64«ncode<1data

2.4.4邮件访问协议

发送方:用户代理用SMTP将邮件推入其邮件服务器1邮件服务

器再用SMTP将邮件转发到接收方的邮件服务器

接收方:通过其用户代理使用一个邮件访问协议（不是SMTP）,从

其邮件服务器（位于某ISP）上取回邮件。

因为取邮件是一个拉操作，而SMTP协议是二个推协议。

邮件访问协议种类：

POP3（第三版的邮局协议）、IMAP（因特网邮件访问协议）以及HTTPo

电子邮件中使用的协议：图2・17

Alice的邮Bob

件照多器的*件服务器

SMTP

图2.14电子邮件协议和它们的通信实体

•SMTP先将邮件从发送方的用户代理传送到发送方的邮件服务器;

•SMTP将邮件从发送方的邮件服务器传输到接收方的邮件服务器;

•接收方的用户代理使用邮件访问协议（如POP3）将邮件从接收方的

邮件服务器取回。

1、POP3

简单、功能有限。

在用户代理（客户机）打开了一个到邮件服务器（服务器）端口110上的

TCP连接后，开始工作。

工作步骤（三阶段）：

・特许阶段:用户代理发送用户名和口令使其获得下载邮件的特许。

•事务处理阶段.♦用户代理取回报文，可对邮件进行某些操作。

如做删除标记、取消删除标记、获取邮件统计信息等。

・更新阶段:邮件服务器删除带有删除标记的报文（已被用户取走的

报文不在邮件服务器保留）。

2、IMAP

用户使用POP3将邮件下载到本地主机，建立一个文件夹，将下载

的邮件放入该文件夹，服务器中不再保存。

POP3缺陷：没有给用户提供任何创建远程文件夹并且为报文指派

文件夹的方法。不适用于移动办公用户。

IMAP功能强：

•提供创建文件夹以及在文件夹之间移动邮件的命令；

•提供在远程文件夹查询邮件的命令；

•具有允许用户代理读取报文组件的命令；

•实现起来复杂。

3、基于web的电子邮件

用户使用浏览器收发电子邮件。

＞用户代理是普通的浏览器，用户和其远程邮箱之间的通信通过HTTP

进行：

•收件人使用HTTP从他的邮箱中取一个报文到浏览器；

•发件人使用HTTP将电子邮件报文从其浏览器发送到其邮件服务器

上；

＞邮件服务器之间发送和接收邮件时，使用SMTP。

＞用户可以在远程服务器上以层次目录方式组织报文。

2.5DNS:因特网的目录服务

标识主机的两种方式：

・主机名:由不定长的字母和数字组成。便于记忆。

如

路由器处理困难。

•IP地址:由4个字节组成，有着严格的层次结构。路由器容易处理。

如IP地址(点分十进制)：3。

2.5.1DNS提供的月艮务

报文在网络中传输，使用IP地址。

域名系统DNS(DomainNameSystem)t进行主机名到IP地址的转换。

•一个由分层的DNS服务器实现的分布式数据库；

•允许主机查询分布式数据库的应用层协议；

,是运行BIND(BerkeleyInternetNameDomain)软件的UNIX机器；

・DNS协说运行在UDP之上，使用53号端口。

DNS通常直接由其他的应用层协议(包括HTTP、SMTP和FTP)使

用，以将用户提供的主机名解析为IP地址。用户只是间接使用。

例，某个用户主机上的一个浏览器访问某个Web页，URL为:

/index.html

用户主机要将一个HTTP请求报文发送到Web服务器

,需先得到相应的IP地址。

过程如下：

・用户主机上运行DNS应用的客户机端。

•浏览器从URL中解析出主机地址，传给DNS应用的客户机端。

•DNS客户机向DNS服务器发送一个包含主机名的请求：

•DNS客户机收到一份含有对应主机名的IP地址的回答报文；

•浏览器向该IP地址指定的HTTP服务器发起一个TCP连接。

其他服务:

主机别名、邮件服务器别名、负载分配。

2.6P2P对等文件共享

P2P对等文件共享（peer-to-peerfile-sharing）：

位于网络边缘的PC机（对等方peer）互相之间可以直接获取对象。

例，用户Alice使用P2P文件共享应用程序下载MP3的过程：

＞在PC机上运行一个P2P文件共享应用软件（一个“对等方”）；

＞通过ADSL接入因特网；

＞使用该应用程序搜索一首MP3歌曲；

＞发出指令后，该应用程序显示一张对笠方列表：

•所有对等方在线，并愿意共享该首音乐的MP3拷贝

•对等方都是普通的PC,是因特网用户。

•列表中提供一些附加信息，如接入带宽和下载时间。

＞用户选择一个对等方（Bob）并向其请求该MP3文件；

＞两个用户之间建立一个直接的TCP连接；

＞MP3文件从Bob的PC机向Alice的PC发送；

A下载期间若偶然断开，可尝试从另外对等方继续下载。

说明:每个参与的对等方既是内容的消费者也是内容的发布者。

P2P文件共享特点：

•所有内容没有经过第三方的服务器，而是直接在普通对等方之间传

输；

•P2P利用众多对等方集合中的资源去分发内容，具有高度的可扩展

能力。

•使用客户机/服务器模式：请求的对等方是客户机，被选中的对等方

是服务器。

♦服务器对等方使用文件传输协议向客户机对等方传送。

♦所有的对等方必须既能运行文件传输协议的客户机端程序，又能

运行服务器端程序。

P2P采用HTTP协议传送：

•通过传送“HTTP请求”和"HTTP响应”报文进行。

•对等方既是一个客户机，又是一个瞬时Web服务器。

内容定位体系结构：一个对等方如何确定哪些对等方有所需的东西。

（1）集中式目录

如，第一家在世界范围内从事MP3对等应用程序的商业公司

Napstero

使用一台大型服务器（或服务器场）来提供目录服务。如图2-23所示。

集中式日

录服务*

图2.23使用集中式目录的财等模式

・通知:每个活动的对等方将其IP地址及可共享内容通知目录服务器；

•目录服务器•.收集可共享的对象，并建立一个集中式的动态数据库（对

象名称到IP地址的映射）。

•更新当某个活动的对等方获得新对象或删除对象时，就通知目录服

务器更新。

集中式目录的P2P文件共享使用客户机/服务器与P2P的混合体系结

构。

缺陷:单点故障、侵犯版权、可靠性。

（2）洪泛查询

＞对等方先形成一个抽象的逻辑网络（即覆盖网络）：

•由所有活动的对等方和

连接的边构成，边表示两个对

等方之间有一个TCP连接

（不是通信链路）。

•该覆盖网络中，一个对

等方所连接的节点少于10

个。

上CE.SIIQ+岫•整/上&

＞通过洪泛查询，找到所需对象：图2・24

•某个对等方Alice想得到一个对象。

•向覆盖网络中的每个邻居发送“查询报文”；

•每个邻居接着向它们的邻居转发该报文。

•持续该过程，使得覆盖网络上的每个对等方都能收到该查询。

•如果收到查询的对等方中有被请求对象，就向发起查询的对等方

Alice回发“查询命中”报文。

•可能会收到多个对等方发回的“查询命中”报文，从中选择一个

合适的对等方。

•双方建立一条直接的TCP连接，并通过HTTP报文得到内容。

缺陷:发起的“查询报文”，会在网络中产生很大的流量。

限范围的洪泛查询:在“查询报文”中设置一个计数字段，并给定一个

特定值。

（3）利用不均匀性

覆盖网络：

对等方和它们之间的通信关系形成的一个抽象的逻辑网络。

•指定一定数量的对等方为组长

•普通对等方被指派给一个组长。

•对等方与其组长创建一个TCP连接，并将共享内容告诉组长。

•组长维护着一个数据库，该组的共享内容及相关对等方的IP地址。

＞对等方确定到某个特定对象的位置方法:

•向组长发出查询，组长用本组中具有该对象的对等方列表响应；

•或与其他组长联系，请它们向该对等方发送具有该对象的对等方

列表。

2.7TCP套接字编程

网络应用程序的核心：客户机程序和服务器程序。

运行时，分别创建一个客户机进程和一个服务器进程，相互之间通

过丛套接字读写数据进行通信。

网络应用程序类型：

•网络应用程序：由RFC文档所定义的标准协议的实现。

程序必须满足该RFC所规定的规则；使用与协议相关的端口号。

•专用的应用程序:

程序不必符合RFC规则；开发者根据实际应用设计；不要使用RFC

中定义的周知端口号。

说明:研发初期，先选择使用TCP还是UDP。

•TCP：面向连接的，为两个端系统之间的数据流动提供可靠的字

节流通道。

•UDP：无连接的，从一个端系统向另一个端系统发送独立的数据

分组,不对交付提供任何保证。

2.7.1TCP套接字编程

运行在不同机器上的进程彼此通过向套接字发送报文来进行通信。

如图2-26。

由应用M由应用为件

开发看不制开发者控M

由M作用

进程/套接字：房子/门户，即套接字是应用进程和TCP之间的门户。

应用程序开发者在套接字的应用层端可以控制所有东西；不能控制

运输层端。

客户机和服务器程序之间的交互：

裁建立I箜连坂海蚯数雌输。

＞客户机程序是连接的发起方；

＞服务器必须先准备好，对客户机程序发起的连接做出响应：

•服务器程序事先已经在系统中运行：

•服务器程序的某个套接字已经打开，准备接收客户机程序发起的

连接（敲门）。

①建立TCP连接：

•客户机进程向服务器发起一个TCP连接:

创建一个套接字，指定相应服务器的进程地址（IP地址和端口号）。

•建立一个TCP连接:

当服务器听到客户机的连接请求（敲门）时，创建一个新套接字，

经过“三次握手”，客户机套接字和服务器套接字之间建立一个TCP连

接（直接的虚拟管道）。

②传送数据：

•TCP连接是客户机和服务器套接字之间的一个直接的虚拟管道。

•客户机进程向它的套接字发送任意比特的数据；

•TCP保证服务器进程能够按发送顺序接收（通过连接套接字）到每一比

特数据。

•客户机进程可以从它的套接字中接收数据，服务器进程也可以向它的

连接套接字发送数据。

“户机道程原务H进株

欢我推字

连接It接字

^（stream）：流入和流出进程的字符序列。

输入流（inputstream）：与该进程相连的输入源（如键盘），或是套

接字（来自因特网的数据通过该套接字流入）。

输出流（outputstream）：与该进程相连的输出源（如监视器），或

是套接字（数据通过该套接字流向因特网）。

2.7.2Java客户机/服务器应用程序例

客户机和服务器经TCE、连接进行通信。例：

・客户机从标准输入（键盘）读取一行字符并通过其套接字向服务

器发送。

•服务器从其连接套接字读取一行数据；

•将该行字符转换成大写；

•将修改的行通过其连接套接字再发回给客户机。

•客户机从其套接字中读取修改的行，并将该行在其标准输出（监视

器）上显示。

图2-28显示客户机与服务器主要的与套接字相关的活动。

“务居客户机

（在M毗tifitr）

对人解求创建

我接字I1口。x

wclcooMSocket■

客户机务*应用程序使用面向连接的运•♦务

客户机端：创建了三个流

和一个套接字，如图2-29

所示。

•套接字：

clientSocket；

•InFromUser输入

流:连接到标准输入（键

盘);

•XnFromServers输入流:与套接字连接。从网络来的字符流入

inFromServer流。

•outToSerws输出流:与套接字连接，客户机发送到网络的字符流

入至ljoutToServerSo

客户机应用程序代码TCPClientjavaz

importjava.io.*;

.*;

classTCPClient{

publicsstaticvoidmain(Stringargv[])throwsException

(

Stringsentence;

StingmodifiedSentence;

BufferedReaderinFromUser=newBufferedReader(

newInputStreamReader(System.in));〃键盘输入

SocketclientSocket=newSocket(,,hostname,',6789);

〃初始化客户机和服务器间的TCP连接

DataOutputStreamoutToserver=newDataOutputStream(

clientsocket.getoutpuStreamO);

//outToserver流提供了到套接字的输出

BufferedReaderinFromServer二

newBufferedReader(newInputStreamReader(

clientSocket.getlnputStreamO));

//inFromServer流提供了来自套接字的输入

sentence=inFromUser.readLine();

//将用户输入的一行读到sentence对象中

outToServer.writeBytes(sentence+'\n');

//将输入的内容发送到outToServer流中，通过套接字进入TCP

管道发送

modifiedSentence=inFromServer.readLine();

〃将客户机返回的字符串经输入流inFromServer到

modifiedSentence中

System.out.println("FROMSERVER:"+

modifiedSentence);

〃将modifiedSentence中内容显示

clientSocket.close();

)

)

服务器端的应用程序代码TCPServer.java：

importjava.io.*:

.*;

classTCPServer{