09第九章应用层

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1、计算机网络,http:/ http:/,Chap9 应用层,http:/ http:/,本章教学提要,教学目标： 理解应用层的作用 理解TCP/IP协议栈与应用层协议之间的关系 掌握TCP/IP应用层的主要协议及其工作原理，包括DNS、 E-mail 、Web、 FTP和Telnet服务。 掌握应用层协议的分析方法 教学重点： 若干著名TCP/IP应用服务的工作原理，应用层协议的分析方法 。,Chap9 应用层,Section 1 TCP/IP的应用层,分层模型中的应用层,OSI或TCP/IP的最高层，计算机网络与用户之间的界面，网络通过应用层为用户提供多种网络服务,由若干应用程序/服务/协议

2、组成。,应用程序/应用服务/应用协议,应用程序负责提供人机交互的界面，或创建/接收消息的方法； 应用服务负责创建网络交互的接口-按照协议为网络准备数据、交换数据； 应用协议负责为应用程序间的数据交互提供规则和格式。,应用层协议的功能,为应用程序间的通信提供规则。,为确保通信畅通，通信双方的应用层协议必须一致。,TCP/IP应用层的主要协议,应用协议 超文本传输协议(HTTP)：在浏览器和WWW服务器之间传送超文本的协议 简单邮件传输协议(SMTP)：电子邮件传输服务 文件传输协议(FTP)：文件传输服务(基于TCP) 简单文件传输协议(TFTP)：小型文件传输服务(基于UDP) 虚拟终端协议(

3、Telnet)：实现虚拟(virtual)或仿真终端的服务。 应用支撑协议 域名服务 (DNS)：实现域名和IP地址之间的相互转换 简单网络管理协议(SNMP)：管理计算机网络的标准,TCP/IP应用与低层协议的关系,TCP/IP模型的最高层，TCP/IP网络与用户之间的界面或接口； 通过使用传输层所提供的服务，向用户或应用程序提供网络服务,基于TCP/UDP的网络应用比较,基于TCP的网络服务： 有大量数据传输或交互数据传输的应用； 数据传输之前需建立连接，传输完毕需拆除连接； 由传输层提供端到端的可靠传输机制，开销大。,基于UDP的网络服务： 一次数据流量较少或对实时性要求很高的应用； 数

4、据传输之前不需要建立连接，不提供可靠传输机制，开销小； 要借助于应用层解决端到端的可靠传输问题。,Chap9 应用层,Section 2 DNS服务,为什么使用域名？,TCP/IP应用在网络层基于IP协议实现，使用IP地址实现主机的逻辑寻址 应用程序或用户在访问相关的应用或资源时，必须提供相应主机的IP地址。 32位二进制长度的IP地址难以记忆，即使采用点十进制也不具备足够的可记忆性数字型 在应用层，引入更容易记忆的字符来替代 IP地址作为主机标识符，称之为域名(domain name) 字符型 IP地址与域名都具有全网唯一的特性 使用域名访问主机带来了一个新的问题 应用程序在使用域名访问网络

5、时，必须先要将域名转换为IP地址，因为主机或路由器无法借助域名来实现主机的IP寻址。,DNS的应用实例,域名系统(DNS)及其组成,domain name system，简称 DNS 三大要素： 域（Domain）：由地理位置或业务类型而联系在一起的一组计算机所构成的集合 。 由域名标识的主机：由字符和（或）数字组成的名称，用于替代主机的IP地址。 域名服务器：又叫名字服务器，提供域名解析服务(将域名映射IP地址)的主机，域名服务器通常由它的IP地址标识。,域的层次结构,在域名空间的根域(root)之下，被分为几百个顶级（top-level）域，顶级域分为两大类:一般的和国家的。 每个域可以包

6、括许多主机或者被进一步划分为子域。子域下除了可以有主机外，也可以有更下级的子域。 域名空间的整个形状如一棵倒立的树，“根”不代表任何具体的域，“叶子” 代表没有子域的域，其可以包含一台主机或者成千上万台的主机。,域名空间的树状结构示意,每个域由从节点往上到根的域路径命名 将节点所在的层到最高层的域名串起来，中间由“.”分隔。路径全名不能超过255个字符。,常见域名缩写的含义,edu 教育 com 商业 gov 政府机构 org 非赢利组织 net 网络服务 mil 军事 int - 国际组织,us 美国 uk 英国 cn 中国 ca 加拿大 ch 智利 fr 法国 hk 香港 Jp 日本 au

7、 澳大利亚,DNS域名解析的基本工作原理,域名解析采用客户机/服务器(C/S)模式 传输层基于UDP协议，缺省采用53号端口。 当某个应用程序需要将一个名字映射为一个IP地址时，应用程序调用一种名为域名解析器（resolver ）的功能软件或库进程，参数设为要解析的域名地址，由解析器封装成UDP数据报并传送给本地DNS服务器上，本地DNS服务器负责查找名字所对应的IP地址并返回给解析器。解析器再把结果返回给调用程序。 本地DNS服务器以数据库查询方式完成域名解析过程，由于每个服务器都知道根服务器的地址，因此无论经过几步查询，在域名树中最终总会找出正确的解析结果。,反复解析： 每次请求一个服务器

8、，如果不行再请求别的服务器； 解析任务主要由域名解析器软件承担。 递归解析： 名字服务器系统一次性完成名字地址解析； 解析任务主要由服务器软件承担。,域名解析算法,DNS查询的实现示例-递归解析,DS1,主机H：指定了DS1作为本地DNS服务器,递归查找的实现说明,当解析器把查询传递给一台本地名字服务器时，该名字服务器在本地的内存缓冲区中搜索最近时间里解析的名称地址。若找到，则将结果返回给客户端。 否则，该名字服务器在本地静态映射表中搜寻，看是否在管理员录入的项中是否有该主机名所对应的IP地址。如果存在相应的表项，则向客户机发送相应的IP地址。 若上述都未解析出对应的IP地址，则表明所要解析的

9、域名为远程域名。于是本地名字服务器向根名称服务器查询。 根名称服务器根据主机名称中指定的顶层域名进行相应的顶层域名称服务器搜寻，并将相应的顶层域DNS服务器的IP地址返回给本地DNS服务器； 本地DNS服务器再向顶层域DNS服务器查询，顶层域DNS服务器根据主机名称中指定的二层域名进行相应的二级域名称服务器搜寻，并将相应的二级域DNS服务器的IP地址返回给本地DNS服务器； 依次下去，一直到要解析的名称全部解析完毕。,域名系统的性能优化策略之一：复制,每个根服务器的许多副本存在于世界各地； 当一个新的子网加入Internet时，它在本地的DNS服务器中配置一个根服务器表； 本地的DNS服务器可

10、以为本网用户的域名服务选择响应最快的根服务器； 在实际应用中，地理上最近的域名服务器往往响应最好。,域名系统的性能优化策略之二：缓存,每个服务器都保留一个域名缓存，每当查找一个新的域名时，服务器将它置于缓存中，保留一个生存时间（time-to-live， TTL）。 主机在启动时从本地域名服务器下载域名和地址的全部数据库，维护存放自己最近使用的域名的高速缓存，并且只在从缓存中找不到域名时才使用域名服务器。 DNS缓存比复制更为重要，使用名字的高速缓存可优化查询的开销 既降低了 DNS 查询数据网络的流量，又减少了上层服务器的工作负载。,查看本地DNS缓存-ipconfig /displaydn

11、s,DNS的资源记录,为了实现DNS查询，每一台DNS服务器都要维持一个关于域名和IP地址映射关系的数据库，该数据库称为DNS的资源记录（resource record）。 每一条资源记录共有5个字段:,Domain_name Time_to_live Type Class Value,关于DNS的课堂讨论,场景1：本地DNS服务器指向校园网DNS服务器时，除了校内节点外，其他节点无法访问，但在改向电信DNS服务器时，Internet可访问问题何在?,Chap9 应用层,Section 3 E-mail服务,E-mail服务概述,一种通过计算机网络与其它用户进行通信的手段 因特网上的主流应用之

12、一，具有以下优点 廉价：与传统的邮件系统相比，电子邮件费用很低 快速：电子邮件一般只需几秒钟就可以到达目的地 高效： 1) 可达范围广：可到达因特网可达的任何地方，并可实现一对多的邮件传送； 2)内容形式多样：电子邮件可以将文字，图像，语音等多种类型的信息集成在一个邮件中传送； 3)安全与可靠性高：丢失与损坏的概率小。 简便：足不出户,关于E-mail的地址格式,对于E-mail主体不存在格式上的统一要求 对邮件头中的E-mail地址有严格的格式要求 E-mail地址的标准格式为： 主机域名 收信人信箱名指用户在某个邮件服务器上注册的用户标识，相当于是他的一个私人邮箱 为分隔符，我们把它读为英

13、文的“at” 主机域名是指信箱所在的邮件服务器的域名,E-mail系统的组成,基于客户/服务器结构 由邮件用户代理、邮件服务器和邮件协议组成,运行在客户机上的一个本地程序，如outlook 、hotmail等。可提供命令行、菜单或图形界面来与电子邮件系统交互，允许人们读取和发送电子邮件,发送服务器为用户提供邮件发送功能 (Link),发送邮件时使用邮件发送协议：简单邮件传输协议SMTP（simple mail transfer protocol）只能传输文本信息；MIME协议可传输包括文本、声音、图象等在内的多媒体信息,接收邮件时使用邮件接收协议，如邮局协议POP3（post office p

14、rotocol），它具有用户登录、退出、读取消息、删除消息的命令,邮件接收服务器为用户提供邮件接收功能 (Link),电子邮件协议,邮件发送协议：SMTP,运行在TCP协议之上，使用公开端口号25; 使用客户/服务器工作模式，发送邮件的SMTP进程是SMTP客户，接收邮件的SMTP进程是SMTP服务器； 提供了简单的邮件传输命令 规定了14条命令和21种响应信息; 涉及会话初始化、邮件交换、邮件转发、验证邮箱名、扩展邮件列表以及邮件交换的开启和关闭 每条命令都是由4个字母组成的; 每一种响应信息一般只有一行信息;,SMTP命令举例,HELO 将 SMTP 客户端进程对应到 SMTP 服务器进程

15、 EHLO HELO 的新形式，包括服务扩展 MAIL FROM 标识发件人 RCPT TO 标识收件人 DATA 标识消息内容,邮件接收协议之一：POP3,一个简单的邮件读取协议； 使用客户/服务器的工作方式； 接收邮件的用户主机运行POP客户程序，邮件服务器上则运行POP服务器程序 ； 传输层基于TCP协议实现，使用公开的端口号110 ； 规定了15条命令和24种响应信息： 如用户登录、退出、读取消息、删除消息等命令。,IMAP：Internet Message Access Protocol 与POP3一样，也采用客户/服务器方式工作 与POP3的差别： 运行POP3协议的POP3服务器

16、是具有存储转发功能的中间服务器。在邮件交付给用户之后，POP3服务器就不再保存这些邮件； 当客户程序打开IMAP服务器的邮箱时，用户就可以看到邮件的首部；如果用户需要打开某个邮件，则可以将该邮件传送到用户的计算机；在用户未发出删除邮件的命令前，IMAP服务器邮箱中的邮件一直保存着； POP3协议是在脱机状态下运行，而IMAP协议是在联机状态下运行。,邮件接收协议之二：IMAP,Chap9 应用层,Section 4 文件传输服务 - FTP,FTP服务概述,用于在TCP/IP网络上两台计算机间进行文件传输的协议，最早的因特网应用协议之一; 通过FTP，用户可以方便地连接到远程服务器上对远程服务器上的文件内容进行查看、删除、移动、复制、更名等操作，并能进行文件上传和下载操作。 允许在两个异构体系（即采用不同操作系