应用层

应用层的功能

1. 文件传输、访问和管理（FTP）
2. 电子邮件（SMTP、POP3等）
3. 虚拟终端（HTTP）
4. 查询服务和远程作业登录（DNS）

网络应用模型

两种模型的对比

	C/S	P2P
角色划分	客户端PC即可，服务端需要配置较好	无明确划分
体系结构	资源和服务在服务器端，软件修改和升级也在服务器端；客户端程序简单	资源分布式存储
安全性	安全性措施容易实现	安全性难以保障
数据传输量	易出现瓶颈	不存在瓶颈问题
	服务器需要保持联网运行状态	Peer不需要保持联网状态
	双向不对称，下行远大于上行
		使用服务人数越多效率越高

客户端/服务器模型（C/S模型）

C/S模型

客户端

请求计算服务的主机。间歇性接入网络，可能使用动态IP地址，不与其它客户机直接通信

服务器

提供计算服务的设备。永久提供服务，有永久性访问地址/域名

应用：Web、FTP、远程登录、电子邮件……

对等模型（P2P模型）

P2P模型

不存在永远在线的服务器。每个节点都可以同时充当客户端和服务器的角色，因此可扩展性好，网络健壮性强。

DNS系统

DNS将域名解析为IP地址

层次域名空间

DNS采用树形结构空间

Text Only

. （根域名）
|---.com/.org/.edu 类属域名（顶级域名）
|     |
|     |-----example1.com  二级域名（权限域名）
|     |         |-------a.example1.com
|     |         |-------b.example1.com
|     |         | ...
|     |-----example2.com  二级域名
|     |...
|---.cn/.jp/.uk 国家域名（顶级域名）
|
|---.arpa 基础结构域名/反向域名 --- in-addr.arpa（专门用于反向解析）

域名服务器

根域名服务器

由ICANN管理，负责协调全球域名系统的运行

TLD域名服务器

管理和维护顶级域名

权威域名服务器

负责一个区的域名服务器

本地域名服务器

企业/组织的DNS服务器

域名解析过程

递归解析迭代解析

sequenceDiagram
    participant Resolver
    participant local as 本地服务器
    participant root as 根服务器
    participant dotcom as .com服务器
    participant examplecom as example.com服务器
    Resolver->>local: www.example.com的地址？
    local->>root: www.example.com的地址？
    root->>dotcom: www.example.com的地址？
    dotcom->>examplecom: www.example.com的地址？
    examplecom->>dotcom: 1.2.3.4
    dotcom->>root: 1.2.3.4
    root->>local: 1.2.3.4
    local->>Resolver: 1.2.3.4

sequenceDiagram
    participant Resolver
    participant local as 本地服务器
    participant root as 根服务器
    participant dotcom as .com服务器
    participant examplecom as example.com服务器
    Resolver->>local: www.example.com的地址？
    local->>root: www.example.com的地址？
    root->>local: .com名字服务器的地址
    local->>dotcom: www.example.com的地址？
    dotcom->>local: example.com名字服务器的地址
    local->>examplecom: www.example.com的地址？
    examplecom->>local: 1.2.3.4
    local->>Resolver: 1.2.3.4

文件传输协议FTP

文件传输协议FTP提供不同种类主机系统之间的文件传输能力，是基于客户端/服务器模型的协议，由TCP实现可靠传输。

FTP传输模式

• 文本模式，以文本序列传输数据
• 二进制模式，以二进制序列传输数据

FTP服务器进程包含一个主进程和多个从属进程。

FTP协议的工作原理

FTP地址可以使用用户名&密码登录，也可以匿名（anonymous）登录

控制连接与数据连接

• 一次FTP会话中，控制连接只有一个，数据连接可以有多个。
• 控制连接用于传送请求，端口号为21，始终保持
• 数据连接用于传送数据，端口号一般为20，只在数据传输时建立
  • 是否使用TCP20端口建立数据连接与传输模式有关，主动方式使用TCP20，被动方式由服务器和客户端自行协商，一般大于1024

电子邮件

一封电子邮件一般包含：

• 信封（收件人地址）
• 内容
  • 首部（发件人地址、收件人地址、主题、日期……）
  • 主体（主要内容）

电子邮件系统与组成结构

graph LR
  发信人-->发送方UA-->|SMTP|发送方邮件服务器-->|SMTP|接收方邮件服务器-->|POP3或IMAP|接收方UA-->收信人

用户代理

电子邮件客户端，如Outlook、Thunderbird、Foxmail

邮件服务器

发送&接收邮件，向发件人报告邮件传送结果

SMTP协议和POP3协议

SMTP协议

SMTP规定了在两个相互通信的SMTP进程应该如何交换信息，规定了14条命令和21种应答信息。

sequenceDiagram
    participant s as sender
    participant r as receiver
    par 连接建立
    s->>r: 申请连接
    r->>s: 220 service ready
    opt 服务器不通
    r->>s: 421 Service unavailable
    end
    s->>r: EHLO $HOSTNAME
    and 邮件发送
    s->>r: MAIL FROM: <a@example.com>
    r->>s: 250 OK/(451,452,500...)
    s->>r: RCPT TO: <b@example2.com>
    Note over s,r: 可以有多个，代表了多个接收人
    r->>s: 250 OK/550 No such user
    s->>r: DATA
    Note right of s: 要开始传输邮件内容了
    r->>s: 354 start mail input...
    s->>r: <content>
    r->>s: 250 OK
    and 连接释放
    s->>r: QUIT
    r->>s: 221 Bye
    end

SMTP缺点

• 不能传送可执行文件或其他二进制对象
• 仅限传送7位ASCII码
• 服务器会拒绝超过一定长度的邮件

POP3协议

邮局协议提供从服务器下载、删除邮件等功能，采用C/S模型，使用TCP传输数据，访问端口为110。

与SMTP类似，POP3也采用基于ASCII文本的命令/应答消息。

电子邮件格式与MIME

• MIME使得电子邮件系统可以支持声音、图像、视频、多种国家语言等，现在多用于浏览器
  • 通过MIME，将非ASCII码转化为可用于SMTP传输的ASCII码

IMAP协议

• IMAP协议比POP3协议更先进，支持邮件的管理、搜索、排序等功能。
• IMAP允许用户只读取邮件的某一部分，而不必下载整封邮件。

基于万维网的电子协议（Web邮件）

用户可以使用浏览器访问邮件服务器，称为Web邮件。通过浏览器，使用HTTP与邮件服务器进行交互，实现邮件的编辑、发送、接收、阅读等功能。

graph LR
  发送方浏览器-->|HTTP|发送方邮件服务器-->|SMTP|接收方邮件服务器-->|HTTP|接收人浏览器

邮件服务器之间传送邮件仍然使用SMTP。

万维网和HTTP协议

WWW的概念和组成结构

万维网（WWW，World Wide Web）是一个覆盖全球的分布式信息仓库，是无数个网络站点和网页的集合。

• 万维网的资源使用统一资源定位符URL标识。

  URL的一般形式

  <协议>://<主机名>:<端口号>/<路径> 
  

  协议名主机名端口号路径

  双方应用程序通信使用的协议，如http、ftp、mailto、telnet等，默认为 http

  提供服务的服务器域名

  服务器进程的标识，默认为 80

  网页文件的路径和名称

• Web网页使用超文本标记语言HTML编写，通过超文本传输协议HTTP传送给使用者。

• 万维网以客户端/服务器方式工作，建立在TCP连接基础上。

HTTP协议

HTTP协议定义了浏览器（万维网客户进程〉怎样向万维网服务器请求万维网文档，以及服务器怎样把文档传送给浏览器。

sequenceDiagram
    Client->Server: 建立TCP连接
    Note over Client,Server: 用户输入URL或点击超链接
    loop 请求网页资源
      Client->>Server: HTTP请求报文
      Server->>Client: HTTP响应报文
    end
    Client-->Server: 释放TCP连接

• 协议特点
  • 无状态（识别用户用cookie技术，它是存储在用户主机中的文本文件）
  • 本身无连接（交换报文之前无需建立HTTP连接）
• 连接方式
  • 持久连接 Connection: Keep-Alive
  • 非持久连接 Connection: Close
• 报文结构
  • 请求行（请求报文）/状态行（响应报文）
    • 请求行包括：方法、URL、版本，中间以空格分隔，末尾为回车换行符
    • 状态行包括：版本、状态码、短语，中间以空格分隔，末尾为回车换行符
    • 状态码
      • 1xx：请求已被服务器接收，继续处理
      • 2xx：请求已成功被服务器接收、理解、并接受
      • 3xx：需要后续操作才能完成这一请求
      • 4xx：请求有语法错误或请求无法实现
      • 5xx：服务器未能实现合法的请求
    • 方法
      • GET
      • POST
      • PUT
      • HEAD
      • DELETE
      • TRACE
      • CONNECT
      • OPTIONS
  • 首部行
    • 由若干首部字段组成，每个首部字段包括：首部字段名、冒号、首部字段值，中间以空格分隔，末尾为回车换行符
    • 首部行结束后，还有一个回车换行符
  • 实体主体