一、网络应用层内容概述

1、网络应用的体系结构

（1）客户机/服务器（C/S结构）；

（2）P2P（对等连接结构）；

（3）混合结构；

2、网络应用的服务要求

（1）可靠性；

（2）带宽；

（3）时延；

3、Internet传输层服务模型

（1）TCP；

（2）UDP；

4、特定的网络应用及协议

（1）HTTP；

（2）SMTP、POP、IMAP；

（3）DNS；

（4）P2P引用；

5、Socket编程

（1）TCP；

（2）UDP；

二、网络应用的基本原理

1、网络应用的特点及示例介绍

（1）典型网络应用

百度、QQ、email、迅雷、支付宝、微信、百度云、淘宝、网易等。

（2）网络应用的特点

①信息的开放性；

②信息的互动性；

③信息传播的迅速性；

④能实现数据信息传输和集中处理；

⑤可以共享计算机系统资源；

⑥能进行分布式处理；

⑦综合信息服务；

2、网络应用体系结构

（1）客户机/服务器结构（C/S结构）

①客户是服务请求方，服务器是服务提供方；

②客户机和服务器都是指计算机进程（软件）；

例：

（2）P2P结构

①没有永远在线的服务器；

②任意端系统/节点之间可以直接通讯；

③节点间歇性接入网络；

④节点可能改变IP地址；

（3）混合结构

例：

3、网络应用进程通信

（1）进程

主机上运行的程序。

（2）同一主机上运行的进程之间的通信方法

由操作系统提供的进程间的通信进制。

（3）不同主机上运行的进程的通信方法

消息交换；

（4）套接字：Socket

进程之间的通信利用socket发送/接收消息；

传输基础设施向进程提供API（传输协议的选择，参数的设置）；

（5）寻址方法

①不同主机上的进程通信，每个进程必须拥有标识符（IP地址+端口号）；

②为主机上每一个需要通信的进程分配一个端口号（注意不要随便用可能冲突）；

4、应用层协议

（1）公开协议

是由RFC定义的，允许相互操作；

例：HTTP、SMTP等；

（2）私有协议

多数的P2P文件共享应用。

（3）应用层协议内容

①消息的类型：请求消息、相应消息；

②消息的语法/格式：消息中的字段，每个字段描述方法；

③字段语义：字段中信息的含义；

④规则：规定进程何时发送或响应消息，以及如何发送和响应消息；

注：网络应用需要遵循应用层协议。

5、网络应用需求与传输层服务

（1）网络应用对传输服务的需求

①数据丢失/可靠性

例：某些网络应用能够容忍一定会的数据丢失：网络电话；某些网络应用要求

100%可靠的数据传输，就像文件传输、talnet等；

②时间延迟

例：有些应用只有在延迟足够低的时候才“有效”，就像网络电话/网络游戏等；

③带宽

某些应用只有在带宽达到最低要求的时候才“有效”，网络视频等；还有些应用能够

适应任何带宽——弹性应用：email；

（2）Internet提供的传输服务

①TCP：面向连接（客户机和服务器之间）；它提供可靠的传输；还有流量控制的功能

（即发送方的传输速率不会超过接收方的接收速率）；还有拥塞控制（即网络负载过重

的时候能限制发送发的发送速度）；但是，不提供时间、延迟保障，以及不提供最小宽

带保障。

②UDP：无连接，不提供可靠的数据传输，同时也不提供可靠性保障、流量控制、拥塞

控制、延迟保障、带宽保障等。

三、Web应用

1、Web应用概述

（1）Web与HTTP

①World Wide Web：网页；网页互相包含链接；

②网页包含多个对象：

对象：HTML、JPEG图片、视频文件、动态脚本等；

基本HTML文件：包含对其他对象引用的链接；

③对象的寻址

URL：统一资源定位器 RFC1738；

Scheme：//host:port/path；host就是主机的IP，port就是端口号，path就是路径；

例：

这里最前面的协议名省略了，默认是http；

（2）HTTP协议概述

①万维网遵循HTTP协议（HyperText Transfer Protocol）；

②C/S结构

客户——Browser：请求、接收、展示Web对象；

服务器——Web Server：响应客户的请求，发送对象；

③HTTP版本

1.0：RFC 1945；

1.1：RFC 2068；

④使用TCP传输服务

⑤无状态

服务器不维护任何有关客户端过去所发送请求的信息；

2、HTTP连接类型

（1）HTTP连接的两个类型

①非持久性连接

每个TCP对象最多允许传输一个对象；

HTTP1.0版本使用非持久性连接；

②持久性连接

每个TCP连接允许传输多个对象；

HTTP1.1版本默认使用持久性连接；

（2）非持久性连接

①每一个链接都需要请求一次，因为由于是非持久性连接，所以每一个连接请求完毕后

都会关闭连接；

例：一个包含多个图片的网页，一开始第一次请求后加载出整个页面的基本内容，

但是由于网页中有多个图片（即多个链接），因为第一次请求完毕后会关闭连接，所以

有时候网速比较慢的时候，就可以清楚的看到后面的图片会一个个慢慢出现，因为它需

要一个个去请求连接；

②响应时间分析与建模

RTT：

从客户端发送一个很小的数据包到服务器并返回所经历的时间；

响应时间：

发起、建立TCP连接：1个RTT；

发送HTTP请求消息到HTTP响应消息的前几个字节到达：1个RTT；

响应消息中所含的文件/对象传输时间；

Total = 2RTT + 文件发送时间；

③非持久性连接的问题

每个对象都需要2个RTT以上的时间；

操作系统需要为每个TCP连接开销资源；

浏览器会打开多个并行的TCP连接以获取网页所需要的对象，多个并发连接给服务

器造成很大的影响；

（3）持久性连接

①发送响应后，服务器保持TCP连接的打开；后续的HTTP消息可以通过这个连接连续发

送；

②客户端只有收到前一个请求的响应后才发送新的请求，每个被引用的对象耗时1个

RTT；

③带有流水机制的持久性连接

HTTP1.1的默认选项；

客户端只要遇到一个引用对象就尽快发出请求；

在理想的情况下，收到所有的引用对象只需要耗时约1个RTT；

3、HTTP消息格式

（1）HTTP请求消息

①类别：请求消息；响应消息；

（2）请求消息

①ASCII：人是直接可读的；

例：

②HTTP请求消息的通用格式：

③上传输入的方法

POST：在请求消息的消息体中上传客户端的输入；

URL方法（GET方法）：输入字段通过request行的URL字段上传；

注：上传的信息比较少的话，可以使用GET方法，多的话用POST方法。

（3）方法的类型

①HTTP/1.0：GET；POST；

HEAD：请Server不要将所请求的对象放入响应消息中；（一般用来做测试）

②HTTP/1.1：GET、POST、HEAD；

PUT：将消息体中的文件上传到URL字段所自定的路径；

DELETE：删除URL字段所指定的文件；

（4）HTTP响应消息

（5） HTTP响应状态代码

4、Cookie技术

（1）应用介绍

①某些网站为了辨别用户身份、进行session跟踪而储存在用户本地终端上的数据（通常

经过加密）；

②RFC6265；

（2）Cookie的组件

①HTTP响应消息的cookie头部行；

②HTTP请求消息的cookie头部行；

③保存在客户端主机上的cookie文件，由浏览器管理；

④Web服务器端的后台数据库；

（3）Cookie的原理

（4）Cookie的作用

（5）Cookie的问题以及未来的展望

隐私问题；国际上的互联网巨头们都在琢磨Cookie的替代技术，Cookie差不多快走到头

了；

5、Web缓存技术（代理服务器请求）

（1）功能

在不访问服务器的前提下满足客户端的HTTP请求；

（2）发明这种技术的原因

①缩短客户请求的响应时间；

②减少机构/组织的流量开销；

③在大范围内（互联网）实现有效的内容分发；

（3）Web缓存/代理服务器

①用户设定浏览器通过缓存进行Web访问；

②浏览器向缓存/代理服务器发送所有的HTTP请求；

注：如果所请求对象在缓存中，则缓存直接返回对象，否则的话缓存服务器向原始服务

器发送HTTP请求，获取对象，然后返回客户端并保存该对象；

③缓存既充当客户端，也充当服务器；一般由ISP架设；

例：

（4）Web缓存技术的不足以及改进方法

①有时候缓存服务器中的数据和原始服务器中的数据不一致

解决方法：条件性GET方法；

②条件性GET方法基本思想：如果缓存有最新版本，则不需要发送请求对象；

③缓存：在HTTP请求消息中声明所持有版本的日期 if-modified-since：<date>；

④服务器：如果缓存的版本是最新的，则响应消息中不包含对象；

⑤HTTP/1.0 304 Not Modified；

例：

四、Email应用

1、Email应用的构成

（1）Email应用的组成构件

①邮件客户端；

②邮件服务器；

③SMTP协议；

（2）邮件客户端

①读、写Email消息；

②与服务器交互，收、发Email消息；

③Outlook，Foxmail，Thunderbird；

④Web客户端；

（3）邮件服务器

①邮箱：存储发给用户的Email；

②消息队列：存储等待发送的Email；

（4）SMTP协议

①邮件服务器之间传递消息所使用的的协议；

②客户端：发送消息的服务器；

③服务器：接收消息的服务器；

④使用TCP进行email消息的可靠传输；端口25；

⑤传输过程的三个阶段：握手、消息的传输、关闭；

⑥命令/响应模式：命令（ASCII文本），响应（状态代码和语句）；

⑦Email消息只能包含7位ASCII码；

⑧持久性连接；

⑨利用CRLF.CRLF来确定消息的结束。

（5）Email应用示例

（6）与HTTP对比

2、Email消息格式与POP协议

（1）Email消息格式

①SMTP：email消息的传输/交换协议；

②RFC 822：文本消息格式标准：

③MIME：多媒体邮件扩展RFC 2045,2056；通过在邮件头部增加额外的行为声明MIME

的内容类型；

例：

（2）邮件访问协议

邮件访问协议：从浏览器获取邮件；

（3）POP协议

①认证过程：

客户端命令：User（声明用户名）；Pass（声明密码）；

服务器响应：+OK；-ERR；

②事务阶段：

List：列出消息数量；

Retr：用编号获取消息；

Dele：删除信息；

Quit：退出；

③“下载并删除”模式

用户如果换了客户端软件，无法重读该邮件；

④“下载并保持”模式

不同客户端都可以保留消息的拷贝；

⑤POP3协议是无状态的；

（4）IMAP协议（有状态协议）

①所有消息统一保存在一个地方：服务器；

②允许用户利用文件夹组织消息；

③IMAP支持跨会话（session）用户状态：文件夹的名字；文件夹与消息ID之间的映射

等；

五、DNS应用

1、DNS概述

（1）DNS解决的问题

①Internet上主机/路由器的识别问题：

IP地址（网络内部真正用作识别）；

域名（人使用）；

（2）IP地址和域名的映射（域名解析系统DNS）

①多层命名服务器构成的分布式数据库；

②应用层协议：完成名字的解析（Internet的核心功能就是用应用层协议实现；网络边界

很复杂）；

（3）DNS服务

①域名向IP地址的翻译；

②主机别名；

③邮件服务器别名；

④负载均衡：Web服务器；

（4）不使用集中式DNS的原因

①单点失败问题；

②流量开销问题；

③使用点距离远近的问题；

④维护性问题；

所以DNS是不可伸缩的；

（5）DNS分布式层次数据库

①第一层是根服务器，第二层是顶级域名服务器，第三层是权威域名服务器。

②图例：

例：

（6）DNS根域名服务器

①本地域名解析服务器无法解析域名的时候，访问根域名服务器；

②根域名服务器如果不知道映射，就会访问权威域名服务器，然后获得映射之后向本地

域名服务器返回映射；

（7）TLD和权威域名解析服务器

①顶级域名服务器（TLD）：

负责com、net、org、edu等顶级域名和国家顶级域名，例如cn、uk、fr等；

组织维护关系（例）：

Network Solution维护com顶级域名服务器；

Educause维护edu顶级域名服务器；

②权威域名服务器：

组织的域名解析服务器，提供组织内部服务器的解析服务；

组织负责维护或服务提供商负责维护；

（8）本地域名解析服务器

①不严格属于层级体系；

②每个ISP有一个本地域名解析服务器（是默认域名解析服务器）；

③当主机进行DNS查询时，查询被发送到本地域名服务器（作为代理，将查询转发给

（层级式）域名解析服务系统）；

④迭代查询：

⑤递归查询：

（9）DNS记录缓存和更新

①只要域名解析服务器获得域名——IP映射，即缓存这一映射（一段时间过后，缓存条

目失效（删除）；本地域名服务器一般会缓存顶级域名服务器的映射，因此根域名服务

器不经常被访问）；

②记录的更新/通知机制

2、DNS记录和消息

（1）DNS记录（资源记录）

①Type=A

Name：主机域名；

Value：IP地址；

②Type=NS

Name：域（edu.cn）；

Value：该域权威域名解析服务器的主机域名；

③Type=CNAME

Name：某一真实域名的别名（例：www.ibm.comservereast.backup2.ibm.com）

④Type=MX

Value是与Name相对应的邮件服务器；

（2）DNS协议与消息

①DNS协议：

查询和回复（消息）；

消息格式相同；

②消息头部：

Identification：16位查询编号，回复使用相同的编号；

Flags：查询或回复；期望递归；递归可用；权威回答；

计算机网络——网络应用（上）