[计算机 络]应用层协议，HTTP,SMTP,DNS

应用层

应用层协议原理

络应用程序体系结构

规定如何在各种端系统上组织应用程序，由研发者设计

客户机/服务器

服务器：对外提供服务的一系列硬件和软件

客户机：使用服务器提供的服务

服务器

• 7*24小时提供服务
• 永久性访问地址/域名
• 利用大量服务器实现可扩展性

客户机

• 与服务器通信，使用服务器提供的服务
• 间歇性接入 络
• 可能使用动态IP地址
• 不会与其他客户机直接通信

• 优点：高度可伸缩

• 缺点：难于管理

混合结构

Napster

• 文件传输使用P2P结构

• 文件的搜索采用C/S结构——集中式

• 每个节点向中央服务器登记自己的内容

• 每个节点向中央服务器提交查询请求，

  查找感兴趣的内容

传输基础设施向进程提供API

• 传输协议的选择
• 参数的设置

进程寻址

根据进程识别信息找到对应进程

不同主机上的进程间通信，每个进程必须拥有标识符

• 使用IP地址寻址主机

• 使用端口 Port

  为每个主机上需要通信的进程分配一个端口

  HTTP Server：80

  Mail Server：25

• 进程的标识符

  IP地址+端口 用于唯一标识一个 络上的进程

络应用的需求与传输层服务

要求

1. 数据丢失(data loss)/可靠(relibility)

• 某些 络应用能够容忍一定的数据丢失： 络电话

• 某些 络应用要求100%可靠的数据传输：文件传输，telnet

2. 时间(timing)/延迟(delay)

• 有些应用只有在延迟足够低时才“有效”
• 络电话/ 络游戏

3. 带宽(bandwidth)

• 某些应用只有在带宽达到最低要求时才“有效”： 络视频
• 某些应用能够适应任何带宽——弹性应用：email

4. 定时(数据传输的时间限制)
5. 安全性

Web和HTTP

World Wide Web：Tim Berners – Lee

页且 页相互连接

Web Page 包含多个对象(objects)

• 对象：HTML文件，JPEG图片，视频文件，动态脚本
• 基本HTML文件：包含对其他对象引用的连接

对象的寻址(addressing)

• URL(Uniform Resoure Locator)：统一资源定位器

• Scheme://host:port/path

  格式记牢

有状态协议更复杂：

1. 需维护状态(历史信息)
2. 如果客户或服务器失效，会产生状态的不一致，解决不一致的代价高

传输层协议

使用TCP传输服务

• 服务器在80端口等待客户的请求
• 浏览器发起到服务器的TCP连接(创建套接字Socket)
• 服务器接受来自浏览器的TCP连接
• 浏览器(HTTP客户端)与Web服务器(HTTP服务器)交换HTTP消息
• 关闭TCP连接

HTTP连接

类型

1. 非持久性连接(Nonpersisitent HTTP)

• 每个TCP连接最多允许传输一个对象
• HTTP 1.0版本使用非持久性连接

2. 持久性连接(Persisitent HTTP)

• 每个TCP连接允许传输多个对象
• HTTP 1.1版本默认使用持久性连接

非持久性连接工作过程

非持久性连接问题

非持久性连接的问题	持久性连接	带有流水机制的持久性连接
*每一个对象的传输时延长：*每个对象需要2个RTT	发送响应后，服务器保持TCP连接的打开	HTTP 1.1的默认选项
*服务器负担重：*操作系统需要为每个TCP连接开销资源(overhead)	后续的HTTP消息可以通过这个连接发送	客户端只要遇到一个引用对象就尽快发出请求
		理想情况下，收到所有的引用对象只需耗时约1个RTT
浏览器做法	无流水(pipelining)的持久性连接
打开多个并行的TCP连接以获取 页所需对象	客户端只有收到前一个响应后才发送新的请求
	每个被引用的对象耗时1个RTT

HTTP消息格式

HTTP中的方法

HTTP/1.0		HTTP/1.1
GET	请求一个对象。实体主体为空。	GET,POST,HEAD
POST	将实体信息交给服务器，用于提交表单	PUT	向服务器URL指定的路径上载实体中的文件。
HEAD	请Server不要将所有请求的对象放入响应消息中	DELETE	删除服务器URL指定的文件。

请求消息(request)

ASCII：人直接可读

要考

• 200 OK

• 301 Moved Permanently

• 400 Bad Request

• 404 Not Found

• 505 HTTP Version Not Supported

Cookie技术

HTTP协议无状态

很多应用需要服务器掌握客户端的状态

某些 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）。

Cookie组件

• HTTP响应消息的cookie头部行
• HTTP请求消息的cookie头部行
• 保存在客户端主机的cookie文件，由浏览器管理
• Web服务器的后台数据库

Cookie原理

优缺点

1. 减少客户机请求的响应时间：

文件传输过程

1. 建立TCP连接：用户提供远程主机的主机名或者IP地址。在FTP客户机进程与FTP服务器进程之间建立。

2. 身份认证：输入用户名和口令。向FTP服务器传送。

3. 服务器验证成功：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（上传）

   或从远程文件系统中得到文件（下载）

控制连接与数据连接

控制连接

作用：用于在两主机间传输控制信息。如用户名、口令；上载或下载文件命令等。

控制连接由客户先发起，建立后一直保持：

1. FTP会话开始前，FTP的客户机与服务器在21 端口上建立。

2. FTP的客户机通过该连接发送用户名和口令，或改变远程目录命令、上载或下载文件命令。

用户代理（user agent）

邮件阅读器。允许用户阅读、回复、发送、保存和撰写 文。

• 发邮件：邮件代理向其邮件服务器发送邮件，并存放在发送队列中。
• 收邮件：邮件代理从其邮件服务器的邮箱中获取该 文。

邮件服务器（mail server）

邮箱：发送给用户的 文。

文队列：用户要发出的邮件 文。

邮件发送主要过程：

1. 邮件保存到发送方输出 文队列

2. 通过SMTP协议转发到接收方邮件服务器，保存到相应邮箱中

   若投递失败仍保存，以后每30分钟发送一次，若几天后仍未成功，将该 文删除，并通知发送方。

   用户访问自己邮箱时，邮件服务器对其身份进行验证(用户名和口令)

SMTP

简单邮件传送协议

从发送方的邮件服务器向接收方的邮件服务器发送邮件。

每个邮件服务器上都有SMTP的客户机端和服务器端。

应用层协议。

使用TCP可靠数据传输服务。
包括两部分：

客户机端：在发送方邮件服务器上运行；

服务器端：在接收方邮件服务器上运行。

SMTP

SMTP过程

MIME

多用途因特 邮件扩展

用于非ASCII数据传输

STMP：

1. 只传送7位的ASCII码文件
2. 不能直接传送可执行文件或其他的二进制对象

MIME：

1. 定义了传送非ASCII文件(如声音，图片)的编码规则，将非ASCII文件作为附件发送。
2. 将非ASCII数据编码后传输，接收方再解码还原
   附加MIME邮件首部
   说明采用何种编码

MIME是SMTP的一个扩展，不能替代SMTP

MIME首部

Content-Transfer-Encoding：告诉接收用户代理，该 文主体采用了ASCII码及相应编码类型，并以此还原成非ASCII码。

常用编码：

• base64编码：将二进制文件转换为ASCII码格式。
• 可打印内容转换编码：将一个8位ASCII 文转换为7位ASCII码格式。

Content-Type：告诉接收用户代理 文类型及应采取的动作。

如jpeg：要对jpeg文件解压缩。

POP3

第三版邮局协议

简单，功能有限

读取邮件过程：

• 建立TCP连接：服务器通过110端口侦听TCP请求，与客户机建立TCP连接。

• 开始POP3会话读取邮件，分为3个步骤。

  *特许阶段：*用户代理发送用户名和口令获得下载邮件的特许。(身份认证)

  *事务处理阶段：*用户代理取回 文，可对邮件进行某些操作。

  ? 如：下载并保留，下载并删除等。

  更新阶段：邮件服务器删除带有删除标记的 文，结束POP会话。

IMAP

因特 邮件访问协议

功能强

• 在用户机上运行IMAP客户程序，并与邮件服务器上的IMAP服务器程序建立TCP连接。

• 用户在自己的PC机上就可以操作邮件服务器的邮箱，就如同本地操纵一样，是一个联机协议。

  如：建立文件夹，查询，移动邮件等。

• 未发出删除命令前，一直保存在邮件服务器。

• 实现复杂

基于Web的电子邮件

用户使用浏览器收发电子邮件。

1995年12月Hotmail 引入该技术。

• 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：

  发件人使用HTTP 将电子邮件 文从其浏览器发送到其邮件服务器上。

  收件人使用HTTP从其邮箱中取一个 文到浏览器。

• 邮件服务之间发送和接收邮件时，使用SMTP

• 用户可以再远程服务器上以层次目录方式组织 文。

DNS

域名系统(Domain Name System)：进程主机名到IP地址的转换。

DNS

• 一个分层的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
• 采用C/S方式

名词

DNS服务器	是运行BIND软件的UNIX机器
DNS协议	运行在UDP之上，使用53 端口
DNS	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

标识主机方式

标识主机的两种方式：

文在 络中传输，使用IP地址。

主机名	IP地址
由不定长的字母和数字组成。	由4个字节组成，有严格的层次结构
便于记忆。路由器处理困难。	路由器容易处理。

域名解析过程

1. 用户主机上运行DNS客户机端。

2. 浏览器从URL中解析出主机地址，传给DNS客户机端

3. DNS客户机向DNS服务器发送一个包含主机名的请求

4. DNS客户机收到含有对应主机名的IP地址的回答 文

5. 浏览器向该IP地址指定的HTTP服务器发起一个TCP连接。

   1234称为域名解析

增加一定时延

DNS服务

1. 主机名到IP地址的转换

2. 主机别名和规范名的转换：通过DNS可以得到主机别名对应的规范主机名和IP地址

   规范名：主机真正的名字。如host1.njust.edu.cn
   别名：主机上运行的某种应用服务。如 www.njust.edu.cn 表示Web服务器

3. 同一台主机可运行多个应用，多个别名与一台主机联系。如 ftp.njust.edu.cn 表示FTP服务器

4. 邮件服务器别名和规范名转换

5. 负载均衡：Web服务器

DNS查询方式

迭代查询

被查询服务器返回域名解析服务器的名字，逐个查找。

请求主机向本地DNS服务器发送请求，向连接的DNS服务器查找所需要的IP地址，没有则返回本地域名服务器，再向其他DNS服务器发出请求

P2P应用

位于 络边缘的PC机(对等方peer)互相之间可以直接获取对象

P2P文件分发

从单个源向大量对等方分发文件

C/S与P2P对比

Client-Server	P2P文件分发
服务器向每个对等方发送该文件的副本，负担重。	每个对等方都能够重新分发其所有文件的任何部分，协助服务器分发。
	当一个对等方收到文件数据时，用其上载能力重新将数据分发给其他对等方。下载同时上载

BT协议

BitTorrent协议

Torrent：洪流。参与一个特定文件分发的所有对等方的集合。

• 一个洪流中，对等方彼此下载等长度的文件块。
• 一个对等方最初加入到洪流时，没有文件块，之后累积越来越多。
• 下载文件块同时，也为其他Torrent上载文件块。
• 对等方可以在获得整个文件后离开，也可以留下，继续提供上载。
• 对等方可以任何时候加入到洪流或离开。

tracker追踪器

跟踪洪流中的对等方

1. 每个洪流有一个追踪器
2. 一个对等方加入洪流时，在追踪器中注册，并周期性地通知洪流，其仍在洪流中。

交换原理

• 一个新对等方加入洪流时，追踪器从中随机选择一些对等方，并发送含有IP地址的对等方列表给新加入的对等方。

• 新对等方依次与列表中的对等方建立TCP连接，连接成功即获取相关文件块；

• 可以从多个对等方获取文件的各个块；

• 下载完成后，组装还原为一个完整的文件。

P2P文件共享

对等方之间共享文件

每个参与的对等方既是内容的消费者也是内容的发布者（下载同时也向其他用户上载）

集中式目录(索引)

源于Napster公司（第一家世界范围内从事MP3对等应用程序）设计。

目录服务器(大型服务器或服务器场)：提供目录服务。

收集可共享的对象，建立集中式的动态数据库（对象名称到IP地址的映射）。

属于客户机/服务器与P2P的混合结构。

工作

• 通知：对等方启动时，将其IP地址及可共享内容通知目录服务器。
• 查询内容：用户查询需要共享的对象，获得列表。
  如 Alice 查询某首歌。
• 获取内容：来自Bob。
• 更新：当对等方获得新对象或删除对象时，通知目录服务器更新。

实现

对等方先形成一个抽象的逻辑 络（覆盖 络）

通过洪泛查询，找到所需对象：
如，某个对等方Alice想得到一个对象。

特点

• 设计简单。
• 扩展性差。
• “查询 文”在 络中产生很大的流量。

限范围的洪泛查询：

• 在“查询 文”中设置一个对等方计数字段，并给定一个特定值。

• 可能减少对等方数量。

层次覆盖

与Gnutella类似，*无专用服务器，但对等方地位不平等。*如KaZaA。

实现

• 对等方先形成一个层次的覆盖 络
• 通过查询，找到所需对象。

对等方根据通信关系划分若干组，组成层次结构。

文章知识点与官方知识档案匹配，可进一步学习相关知识 络技能树支撑应用程序的协议DNS协议22516 人正在系统学习中