应用层

应用层概述

一个选择题

每个应用层协议用于解决某一类应用文题，规定应用进程之间通信时所遵循的协议

• DNS
• FTP
• Email
• WWW
• DHCP

域名系统 DNS

上网时使用域名，需要解析成 IP，DNS 实现域名到 IP 的映射

互联网采用层次树状结构的命名方法，每一级以点号隔开，根在最后，如www.baidu.com，com 是一级域名，baidu 是二级域名，www 是三级域名

域名服务器（DNS）管辖的范围叫做区（zone）

• 根域名服务器：最高的、最重要的服务器，用于解析所有的顶级域名服务器的域名和 IP 地址，任何一台主机若在本地无法解析域名，首先找到的就是根域名服务器
• 顶级域名服务器（TLD）：解析二级域名，给出回答或下一步要查找的服务器 IP
• 权限域名服务器：负责一个区的域名服务器（域名的派出所）
• 本地域名服务器，也叫默认域名服务器，需要配置

域名的解析过程

• 迭代+递归解析：最常用
• 递归解析

迭代+递归解析，本地域名服务器将请求发送给所有域名服务器（根域名+顶级域名+权限域名），同时迭代并更新，找到 IP 后返回给本地 DNS

递归解析即请求只发给根域名 DNS，根域名 DNS 发给顶级域名 DNS，顶级域名 DNS 发给 权限域名 DNS，找到 IP 后递归返回给本地 DNS，不常用，根域名服务器压力太大

提高可靠性和速度的方法

• 主域名服务器和辅助域名服务器
• DNS 维护一个高速缓存，存放最近使用过的 IP 和域名的对应关系

解析过程

迭代模式

• 主机：请求只有一次，向本地 DNS
• 本地 DNS
  • 有缓存：请求 0 次
  • 无缓存：请求 n+1 次，n 表示域名级别（域名级别 = 点号 +1）

递归模式

• 主机：最少 1 次，最多 1 次
• 本地 DNS
  • 有缓存：请求 0 次
  • 无缓存：请求 1 次

文件传输协议 FTP

最广泛的文件传输协议

• 提供交互式的访问
• 屏蔽计算机系统细节，适合于异构网络计算机中文件传输
• 屏蔽计算机存储数据的格式不同，屏蔽文件的目录结构和文件命名的规定不同
• 屏蔽操作系统命令不同
• 屏蔽访问控制方法的不同

FTP 工作模式

• 采用 C/S 结构
• 一个主进程，负责接收请求
• 若干从属进程，负责处理单个请求

FTP 的两个连接，这种传输模式也叫带外传送

• 控制连接：不传文件，一直开启，提供交互式的访问
• 数据连接：用于传输用户数据，按序打开

FTP 两个端口

• 建立连接请求时访问控制连接端口 21
• 连接端口 20，进程通过该端口传输数据

这里需要注意，数据传输端口不一定是 20：若主动打开，则为 20，若是接收方，是二者协商的端口

万维网 WWW

主要作用：让 Web 客户端访问浏览 Web 服务器上的页面

万维网是分布式超媒体(hypermedia)系统，是超文本(hypertext)系统的扩充

• 统一资源定位符 URL
• 超文本传输协议 HTTP
• 万维网文档 HTML
• 万维网信息检索系统 Google

URL

统一资源定位符，用于表示互联网上的资源位置和访问方法

<协议>://<主机><端口>/<资源>

• 主机对应 IP 地址
• 端口对应进程
• 资源对应文件路径

HTTP

超文本传输协议 HTTP，是一个应用层协议，使用 TCP 连接进行可靠的传送

特点

• 使用面向连接的 TCP 作为运输层协议，保证数据的可靠传输
• HTTP 本身是无连接的，即使他使用了面向连接的 TCP 向上提供的服务，重新打开需要重新加载
• 是面向食物的客户服务器协议，要么打得开要么打不开
• HTTP 1.0 是无状态的，不会保留打开信息

HTTP 两类报文

• 请求报文
• 相应报文

HTTP 是面向正文的，报文中每个字段都是 ASCII 码串

工作过程

• 浏览器分析页面的 URL
• 浏览器向本地 DNS 请求解析域名的 IP 地址
• DNS 返回 IP 地址
• 浏览器和服务器（两个进程之间）建立 TCP 连接
• 浏览器发出命令 Get / Post
• 服务器给出相应响应
• TCP 连接释放
• 浏览器显示 HTML 中所有文本信息

该过程使用的协议

• 首先是 HTTP 协议，超文本传输
• 请求 DNS 时使用了 UDP 协议
• 建立连接使用 TCP 协议
• 数据传输使用 IP 协议
• 链路层
• 物理层

协议分层：HTTP ——> TCP ——> IP

持续连接：每个请求、响应使用同一个 TCP 连接

• 连接消耗 1 个 RTT，传 n 个内容消耗 n 个 RTT，共 1+n 个 RTT

非持续连接：每个请求、响应使用单独的 TCP 连接

• 对于 n 个内容消耗 2n 个 RTT 时间

非流水线持续连接，必须要等前一个请求确认完毕才发送下一个内容：n+1 个 RTT

流水线持续连接：1+1+(n-1/2) 个 RTT

• 和计网概述中计算流水线时延一模一样

Email 协议

连接建立均使用的 TCP 协议

发送邮件使用 SMTP 协议，读取/接收邮件使用 POP3 或 IMAP 协议

共分为三个阶段

• 客户端通过 TCP 连接发送邮件到中转 SMTP 服务器
• 中转 SMTP 服务器作为客户端将收到的邮件发送到目的 SMTP 服务器
• 目的 SMTP 服务器通过 POP3 服务器将邮件送到指定用户并且用户使用 POP3 协议对邮件进行解析

SMTP 是一种 push 协议，有就立即往外推，只支持传输 7 比特的 ASCII 码内容

POP 是一种 pull 协议，始终将数据从服务器拉到本地

MIME：增加翻译结构，转化非 ASCII 码和 ASCII 码

动态主机配置协议 DHCP

Dynamic Host Configuration Protocol

这种机制允许一台计算机加入新的网络和自动获取 IP 地址，而不需要手动配置

工作过程：广播请求，单播响应

• 需要 IP 地址的主机广播一个发现报文，成为 DHCP 客户
• 因为是广播，本地网络上所有住居都会收到该报文，但只有 DHCP 服务器会回应

DHCP 服务器处理过程

• 先从其数据库中查找请求计算机的配置信息，若找到直接返回，若没找到，则从未被分配的地址中找一个分配给该计算机
• 包括 IP 地址、网关、子网掩码

广播报文

• 源地址：0.0.0.0
• 目的地址（广播）：255.255.255.255

相应报文

• 源地址：DHCP 服务器 IP
• 目的地址：分配主机的 IP

这里对比一下 DHCP 请求响应的网络层 ARP 地址解析协议（IP 到 MAC 的映射）

• 广播请求
  • 目的：FFFFFFFFFFFF
  • 源：发送方 MAC
• 单播相应
  • 目的：广播发送方 MAC
  • 源：HDCP 的 MAC 地址

常见应用总结

应用	下层协议	端口号
HTTP	TCP	80
FTP	TCP	20/21
SMTP	TCP	25
POP3	TCP	110
TEINET	TCP	23
BGP-4	TCP	179
DNS	UDP	53
DHCP	UDP	67
RIP	UDP	520
PING	IP	/