计算机网络课件2012版 第2章 应用层

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1、第2章 应用层 应用层 网络应用是计算机网络的重要功能之一 20世纪80年代 基于文本的电子邮件 文件传输 文本聊天等等 20世纪90年代 Web应用 IP电话 视频会议等20世纪末 即时讯息 P2P对等文件共享 学习目标和主要内容 学习目标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 4 本章内容 2 1应用层协议原理2 2Web和HTTP2 3FTP2 4电子邮件2 5DNS2 6P2P应用2 7TCP的套接字编程2 8UDP

2、的套接字编程2 9构建一个Web服务器2 10小结 流行的网络应用程序 E mailWeb即时讯息远程注册P2P文件共享多用户网络游戏流式存储视频片段 因特网电话实时视频会议大规模并行计算 编制应用程序 网络应用程序研发要点 写出能够分别在不同端系统运行 并通过网络相互通信的程序 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 应用程序软件只在端系统运行 不需在网络核心设备上运行 网络核心设备无应用层 只有较低层 如图2 1 本节内容 2 1 1网络应用程序体系结构2 1 2进程通信2 1 3应用层协议2 1 4应用所需

3、要的服务2 1 5因特网运输协议提供的服务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 2 1 1网络应用程序体系结构 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 三种类型 客户机 服务器对等 P2P 客户机 服务器与P2P的混合 1 客户机 服务器体系结构 服务器 总是打开为多个客户机请求提供服务永久的IP地址可扩展为服务器场 主机群集 客户机 总是打开或间歇打开向服务器发出请求具有动态的IP地址彼此之间不直接通信 服务器响应 客户请求 10 例 Web应用程序 浏览器程序 运行在用户主机 客户机 上 Web服务器程序 运行在We

4、b服务器主机上 总是打开 为运行在客户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 服务器响应 客户请求 浏览器程序 Web服务器程序 2 纯P2P体系结构 peer to peer 无 最少 打开的服务器任意端系统 对等方 可以直接通信对等方间歇地连接 IP地址不固定例 文件分发 因特网电话 Skype 等 可扩展度高 难以管理 3 客户机 服务器与P2P的混合 Napster MP3文件共享应用程序 P2P 对等方直接交换MP3文件服务器注册 定位 对等方在中心服务器上注册内容对等方查询相同的中心服务器以定位内容即时讯息 P2P 两个用户直接聊天服务器检测 定位 用户在线时 向

5、中心服务器注册其IP地址用户联系中心服务器以找到聊天伙伴的IP地址 2 1 2进程通信 进程 process 在主机上运行的程序 进程通信 同一主机中两个进程间的通信 由操作系统控制不同主机中进程间的通信 通过网络交换报文进行 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 如图2 1根据功能分别标示为客户机和服务器客户机进程 发起通信的进程 服务器进程 等待其他进程联系的进程 如Web应用程序中 一个客户机浏览器进程向某个Web服务器进程发起联系 交换报文 说明 P2P结构 应用程序可分

6、别看成是客户机进程或服务器进程 如 对等方A 客户机 请求对等方B 服务器 发送某个文件 2 套接字 socket 套接字 同一台主机内应用层与运输层之间的接口 也叫应用程序和网络之间的应用程序接口API 是在网络上建立网络应用程序的可编程接口 应用层 运输层 进程与套接字关系 进程类似房子 套接字是进程的门 进程通过套接字在网络上发送和接收报文 具有缓存 变量的TCP 套接字 主机或服务器 具有缓存 变量的TCP 套接字 主机或服务器 因特网 由操作系统控制 由应用研发者控制 发送进程 把报文推出门 套接字 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 通过门 套接字 接收报文

7、说明 应用程序开发者可以控制套接字应用层端的全部 对套接字的运输层端几乎不能控制 只能选择运输层协议 设定几个运输层参数等 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 如TCP协议 3 进程寻址 主机上的进程可以有多个 网络中有多个主机 每个主机上有多个进程 进程识别信息 表示哪台主机上的哪一个进程 源主机上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 标识 如何识别每一个进程 进程识别信息 两部分 主机名称或地址 网络中的哪一个主机 因特网中 用IP地址标识 32位 全球惟一 进程的标识 主机中的哪一个进程 因特网中 采用端口号标识 portn

8、umber 周知端口 固定的应用程序端口号如 Web服务进程 HTTP协议 80邮件服务进程 SMTP协议 25自定义端口 创建一个新的网络应用程序时 必须分配一个新的端口号 不重复 21 进程寻址过程 进程寻址 根据进程识别信息找到相应进程 分为两步 确定主机IP地址 确定进程端口号 4 用户代理 useragent 是用户与网络应用程序之间的接口 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 并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 定义运行在不同端系统上的应用程序进程间传递报文的格式和方式 具

9、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 报文中的各个字段及描述 字段的语义 字段包含信息的含义 规则 进程何时 如何发送报文及对报文进行响应 说明 公共领域协议 由标准文档RFC定义 如HTTP 专用层协议 如P2P使用的协议 应用层协议是网络应用的一部分 如Web应用 客户机从Web服务器获得文档组成 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 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 其他协议 电子邮件协议SMTP等等 2 1 4应用程序所需要的服务 应用程序间通信 由运输协议跨越网络将发送进

10、程的报文传输到接收进程的门户 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 应用程序需要的服务类型 可靠性 数据丢失率 数据不能丢失的应用 如文件传输 金融事务等 能容忍数据丢失的应用 如多媒体应用 带宽 数据传输率 带宽敏感的应用 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 弹性应用 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 27 应用程序需要的服务类型 定时 数据传输的时间限制 交互式实时应用 对时间敏感 要求时延小 如 因特网电话 视频会议以及多方游戏等 非实时应用 时延无限制 低更好 安全性对数据的加密 解密数据完整性 典型应用的运输

11、服务要求 应用程序文件传输电子邮件Web文档实时音频 视频 因特网电话 视频会议 存储音频 视频交互式游戏即时讯息 数据丢失不能丢失不能丢失不能丢失容忍丢失容忍丢失容忍丢失不能丢失 带宽弹性弹性弹性音频 5kbps 1Mbps视频 10kbps 5Mbps同上几kbps以上弹性 时间敏感不不不是 100ms是 几秒是 100ms是和不是 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传输控制协议TCP每个协议为调用它们的应用程序提供不同的服务模型 创建一个新的因特网应用时 必须选择一个 1 TCP服务 两种服务 面向连接的服务 可靠的传输服务 面向连接的服务 划分三阶

12、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 通信进程可以无差错 按适当顺序交付发送的数据 无数据丢失和重复 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 对整个网络有益 未提供的服务 不确保最小传输速率 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 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 TCP协议不适合实时应用 2 UDP服务

13、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 因特网应用及应用层和运输层协议 应用应用层协议传输协议电子邮件SMTPTCP远程终端访问TelnetTCPWebHTTPTCP文件传输FTPTCP远程文件服务器NFSUDP或TCP流媒体HTTP RTPUDP或TCP因特网电话SIP RTP典型用UDP 2 2Web应用和HTTP协议 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 生活和工作发生变化 提升因特网地位 方便 快捷得到所需

14、要的信息 按需操作 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 本节内容 2 2 1HTTP概述2 2 2HTTP连接2 2 3HTTP报文格式2 2 4用户与服务器交互 Cookie2 2 5HTTP内容2 2 6Web缓存2 2 7条件GET方法 2 2 1HTTP概述 HTTP 超文本传输协议 应用层协议 Web的核心 包括两部分 客户机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 服务器程序HTTP协议 定义了报文的格式以及客户机和服务器交换报文的方式 HyperTextTransferProtocol Web常用术语 Web页 文档 由若干对象组成

15、 对象 是文件 如HTML文件 JPEG图形文件 Java小程序等 通过一个URL地址来寻址 含有一个基本的HTML文件及多个引用对象 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 每个对象由URL来寻址 超文本标记语言HyperTextMarkupLanguage 统一资源定位符 Web常用术语 URL UniformResourceLocator 统一资源定位符 标识万维网WWW上的各种文档 全网范围唯一 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 someSchool edu somedepartment p

16、icture gif 主机名 路径名 协议 Web常用术语 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 定义了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 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 服务器 接受请求 回发包含请求对象的 HTTP响应报文 说明 HTTP协议使用的底层运输协议是TCP 工作过程 创建TCP连接 交换报文 关闭TCP连接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 从其套接字接口发送 HTTP请求报文 和接收 响应报文 服务器 从其套接字口接收 HTTP请求报文 和发送 响应报文 说明 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是无状态协议 服务器不保存关于客