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计算机网络 --应用层

一、应用层概述

1. 功能

• 应用层为应用程序通信提供直接服务，这种服务是用户能够直接感知到的数据通信服务。
• 核心功能包括：
  • 文件传输：实现不同设备间文件的传输操作。
  • 访问管理：对用户访问资源等进行管理。
  • 电子邮件：支持邮件的发送、接收与存储管理等功能。
  • 虚拟终端：为用户提供虚拟的终端环境，方便远程操作等。
  • 查询服务：例如查询数据库等操作。

2. 核心协议

• FTP（文件传输协议）：专门用于在网络上进行文件传输的协议。
• SMTP/POP3/IMAP（电子邮件协议）：
  • SMTP（简单邮件传输协议）：主要负责邮件的发送，包括客户端到服务器以及服务器之间的邮件传输。
  • POP3（邮局协议版本3）：用户从服务器下载邮件到本地进行离线阅读，下载后可删除服务器上的副本。
  • IMAP（互联网消息访问协议）：用户可在线同步管理邮件，并且保留服务器上的副本。
• HTTP（超文本传输协议）：用于在万维网上传输超文本等资源。
• DNS（域名解析系统）：实现域名到IP地址的映射解析，使用户输入的域名能够被转换为对应的IP地址。

二、网络应用模型

1. C/S模型（客户端 - 服务器模型）

角色划分

• 服务器：
  • 持续运行，不间断地为客户端提供服务。
  • 例如Web服务器提供网页浏览服务，邮件服务器提供邮件存储转发等服务。
• 客户端：
  • 主动发起服务请求的一方。
  • 通过与服务器建立连接来获取所需资源，如访问网页、下载文件或者获取邮件等。

典型应用

• Web访问：用户使用浏览器（客户端）向Web服务器请求网页资源。
• FTP文件传输：客户端向FTP服务器请求文件的上传或下载操作。
• 电子邮件：客户端与邮件服务器交互，实现邮件的收发操作。

2. P2P模型（对等网络模型）

特点

• 网络中的节点具有双重身份，既是客户端又是服务器。
• 资源共享效率高，因为节点之间可以直接交互，无需依赖中央服务器进行资源的中转。

优势

• 去中心化：不存在中心控制节点，每个节点地位平等，降低了单点故障的风险。
• 扩展性强：例如在迅雷下载、BT资源分享中，新加入的节点可以增加整个网络的资源共享能力。

示例

• 在下载电影时，多个节点相互传输部分数据，共同加速电影文件的下载速度。

三、DNS域名系统

1. 核心功能

• 主要功能为将用户输入的域名转换为对应的IP地址，即实现域名到IP地址的映射解析。这一功能是网络通信中至关重要的环节，因为计算机在网络中是通过IP地址进行通信的，而域名则是方便用户记忆和使用的标识。

2. 域名结构

• 层级结构：采用三级域名.二级域名.顶级域名的形式。
  • 顶级域名（TLD）：
    • .com：主要用于商业机构。
    • .edu：用于教育机构。
    • .gov：用于政府机构。
    • .cn：是中国的国家代码顶级域名。
  • 二级域名：例如baidu（百度公司的域名部分）、pku（北京大学的域名部分）等，是由各个组织或机构自行定义的标识。
  • 三级域名：像www通常作为默认主机名，也可以是其他自定义的名称，用于进一步细分域名下的不同服务或主机。

3. DNS解析过程

递归查询（本地服务器代查）

• 当主机需要查询域名对应的IP地址时：
  • 首先查询本地DNS缓存，如果在缓存中能够找到对应的解析结果，则直接使用，无需进一步查询。
  • 如果本地DNS缓存未命中，则向本地DNS服务器发送查询请求。
  • 本地DNS服务器会按照顺序依次向根DNS服务器、顶级DNS服务器、权限DNS服务器进行递归查询，直到获取到域名对应的IP地址并返回给主机。

迭代查询（本地服务器自主查）

• 主机向本地DNS服务器发起查询请求后：
  • 本地DNS服务器首先向根DNS服务器查询，根DNS服务器返回顶级DNS服务器的地址。
  • 本地DNS服务器根据根DNS服务器返回的地址，直接向顶级DNS服务器查询，顶级DNS服务器返回权限DNS服务器的地址。
  • 最后本地DNS服务器根据顶级DNS服务器返回的地址，直接向权限DNS服务器查询，获取域名对应的IP地址。

4. 服务器类型

• 根域名服务器：
  • 全球共有13组根域名服务器，其主要存储顶级域名服务器的地址信息。
  • 在DNS解析过程中起着关键的引导作用。
• 本地域名服务器：
  • 是用户直接访问的首个DNS服务器。
  • 负责接收用户的查询请求，并根据情况进行递归查询或者迭代查询。

四、FTP文件传输协议

1. 特点

• 基于C/S模型：遵循客户端 - 服务器的交互模式。
• 采用TCP可靠传输：确保文件传输过程中数据的准确性和完整性，避免数据丢失或出错。
• 双端口机制：
  • 控制连接（端口21）：主要用于传输命令，例如客户端请求文件的操作指令等。
  • 数据连接（端口20）：专门用于传输文件的实际内容。

2. 工作流程

• 首先，客户端通过21端口与服务器建立控制连接。
• 然后，服务器启动子进程来处理客户端的请求，并通过20端口建立数据连接，用于传输文件。

五、电子邮件系统

1. 核心组件

• 用户代理（UA）：
  • 客户端软件，例如Outlook等。
  • 其主要功能包括撰写邮件、发送邮件以及接收邮件，为用户提供方便的邮件操作界面。
• 邮件服务器：
  • 主要负责存储和转发邮件。
  • 在邮件发送时使用SMTP协议，在接收邮件时使用POP3或IMAP协议。

2. 协议与流程

• SMTP（简单邮件传输协议）：
  • 用途：
    • 主要用于发送邮件，包括从客户端到服务器以及服务器之间的邮件传输。
  • 三阶段：
    • 连接建立：客户端与服务器建立连接，准备进行邮件传输。
    • 邮件传输：实际进行邮件内容的传输操作。
    • 连接释放：传输完成后，释放连接资源。
  • 基于TCP端口25。
• POP3/IMAP：
  • 用途：从服务器下载邮件到本地，是用户主动拉取邮件的操作。
  • POP3特点：
    • 操作简单，适用于用户进行离线阅读邮件。
    • 下载邮件后会删除服务器上的副本。
  • IMAP特点：
    • 可以实现在线同步管理邮件，方便用户在不同设备上同步邮件状态。
    • 保留服务器上的副本，不会在下载后删除服务器上的邮件。

六、万维网与HTTP协议

1. 核心概念

• 万维网（WWW）：
  • 由超文本、URL、HTTP协议共同构成的全球性资源网络。
  • 为用户提供丰富的信息资源，通过超链接可以方便地在不同资源之间进行跳转访问。
• URL（统一资源定位符）：
  • 格式为协议://主机:端口/路径，例如http://www.baidu.com。
  • 通过URL可以准确地定位网络中的资源位置。

2. HTTP协议

• 特点：
  • 无状态：协议本身不保存之前的交互状态信息，每个请求都是独立的。
  • 基于TCP（端口80）：利用TCP协议的可靠传输特性来保证数据的正确传输。
  • 支持持久连接：在一定时间内可以保持连接，减少连接建立和释放的开销，提高传输效率。
• 工作流程：
  • 浏览器首先解析URL，通过DNS获取服务器的IP地址。
  • 然后建立TCP连接，这个过程通过三次握手来完成。
  • 接着发送HTTP请求，例如GET /index.html等请求指令，获取特定的资源。
  • 服务器收到请求后，响应请求并返回相应的资源，如HTML文件、图片等。
  • 最后释放TCP连接，通过四次挥手来完成连接的关闭操作。

3. HTML与超链接

• HTML（超文本标记语言）：
  • 用于定义网页的内容和结构，通过各种标签来组织文字、图片、链接等元素。
• 超链接：
  • 通过URL实现资源的跳转，使用户可以方便地从一个网页跳转到另一个相关的网页或者资源。

七、补充要点

1. 域名书写规则

• 域名书写时，顶级域名应写在最后，例如.com.cn是正确的写法，而.cn.com是错误的写法。

2. 协议用途

• SMTP：主要用于邮件的发送，包括服务器之间的邮件传输。
• POP3/IMAP：主要用于邮件的接收，即用户从服务器拉取邮件。

3. 端口号

• FTP：控制连接使用端口21，数据连接使用端口20。
• HTTP：使用端口80。
• SMTP：基于TCP端口25。

4. DNS解析类型

• 递归查询：本地服务器代查，按照根DNS服务器、顶级DNS服务器、权限DNS服务器的顺序依次查询。
• 迭代查询：本地服务器自主查询，根据根DNS服务器返回的顶级DNS服务器地址，再根据顶级DNS服务器返回的权限DNS服务器地址进行查询。