『computer network-5』application layer

应用层

一、套接字编程接口

• 套接字socket：应用进程 和 传输层协议间的接口，AP为获得网络通信服务与OS进行交互的机制
  注意：套接字是最常用的应用层编程接口，应用程序通过socket接入网络

• 基于TCP系统的系统调用接口：

  1. 连接建立阶段：
     1. bind：客户端和服务器分别将端口号 + IP地址绑定在socket上
     2. listen：服务器调用listen将套接字设置为被动方式，随时接受客户请求
     3. accept：服务器调用accept提取客户请求，并为每个新连接请求建立新的套接字返回给客户；通信结束后，新的套接字关闭
     4. connect：客户端调用connect与远程服务器建立连接（主动打开）
  2. 数据传送阶段：
     • send：客户端使用send发送请求；服务器使用send发送回答
     • recv：服务器使用recv接收请求；客户端使用recv接收发送请求后的回答
  3. 连接释放阶段：调用close释放连接，撤销套接字

• 基于UDP系统的系统调用接口：无需建立连接，没有connect与listen+accept

  

• 套接字描述符：AP发出socket系统调用后，OS为其分配网络通信所需系统资源，并将这些资源用套接字描述符表示并返回给AP
  注意：几乎所有网络系统调用都使用socket descriptor作为第一个参数，用于识别完成网络请求所需的各种资源（CPU、带宽 等）

  

---

二、域名系统 DNS

• 域名系统：Internet使用的命名系统，采用层次结构的命名树作为主机名字（IP地址不易记忆），属于分布式系统

  • 域名服务器程序：实现 域名 \(\rightarrow\) IP地址 的解析，其运行在域名服务器上
  • DNS基于UDP协议实现：域名解析过程如下：
    1. AP调用域名解析程序，其成为DNS的一个客户
    2. AP将待解析的域名放在DNS请求报文中，以UDP用户数据报的形式发给本地域名服务器
    3. 本地域名服务器查找域名，并把对应的IP地址放在回答报文中返回给AP

• Internet的域名结构：采用层次树状结构命名，不区分大小写，且域名长度 \(\le\) 255字符

  • 顶级域名TLD：国家顶级域名(.cn, .us, ...) + 通用顶级域名(.com, .edu, .gov, org, ...)

  • 域名服务器：主要分为以下4类：

    • 根域名服务器：存有其所知的所有顶级域名服务器的域名 + IP地址
      注意：根域名服务器一般并不直接将待查询域名转换为IP，而是告诉本地域名服务器下一步要查哪个顶级域名服务器
    • 顶级域名服务器：管理在该顶级域名服务器注册的所有二级域名
    • 权限域名服务器：负责一个区的域名服务器
    • 本地域名服务器：又称默认域名服务器

    注意：域名服务器定期把数据复制到多个域名服务器保存，其中一个为主域名服务器、其余为辅助域名服务器

  • 域名查询：分为递归查询 + 迭代查询

    • 主机 向 本地域名服务器 查询采用递归查询：
      • 本地域名不知道待查询域名的IP，就向其它服务器发送请求报文，最终返回待查询IP地址（无需主机自己查询）
    • 本地域名服务器 向 根域名服务器 查询采用迭代查询：每次迭代需要让本地域名服务器自己去查询
      • 若根域名服务器知道IP地址，直接给出IP地址
      • 若其不知道IP地址，告诉本地域名服务器后续向哪个域名服务器查询：
        • 若顶级域名服务器知道IP地址，直接给出IP地址
        • 若其不知道IP地址，告诉本地域名服务器后续向哪个域名服务器查询：
          • 权限域名服务器给出待查询域名对应的IP地址；本地域名服务器将该IP返回给主机

    注意：为了提高查询效率，通常使用高速缓存存储域名映射；以下8步查询共需要8个UDP用户数据报

    

---

三、文件传输协议 FTP

• FTP的客户/服务器方式：服务器进程由以下2部分组成：

  • 主进程：负责接收新的请求，工作步骤如下：

    1. 打开熟知端口(21)，使客户进程能够连接得上
    2. 等待客户进程发出连接请求
    3. 启动从属进程处理客户进程发来的请求
    4. 回到等待状态，继续接受其它客户进程发来的请求

  • 若干从属进程：负责处理单个请求，其运行过程中可能会创建其它子进程，请求处理完毕后立即终止

    • 控制连接：整个会话期间一直保持打开，客户端发送的传送请求 通过控制连接发送给 服务器的控制进程 注意：控制进程不用于传送文件，仅用于发送控制信息
    • 数据连接：收到客户发来的文件传输请求后，服务器控制进程创建数据连接，负责实际完成文件传送；传送完毕后关闭连接

    

---

四、万维网 WWW

• 万维网概述：一个分布式的超媒体系统，是超文本系统的扩充

  • URL：标识分布在Internet上的万维网文档
  • HTTP：实现万维网上各种超链的链接
  • HTML：存储并表示万维网文档的方式

  注意："超文本"指包含指向其它文档的链接的文本；"超媒体"还可包含图形、图像、声音等信息

• 统一资源定位符 URL：对 Internet 上 资源位置 和 访问方法 的一种简洁表示

  • URL一般形式：<协议>://<主机>:<端口>/<路径>

    • 协议：指出使用何种方式获取万维网文档，如http或ftp
    • 主机名：万维网文档所存放主机的域名（通常以www开头），也可用点分十进制的IP地址代替
    • 端口：指出端口号，如省略则为协议默认端口号；若不使用默认端口号，则必须写明
    • 路径：包含若干斜线的较长字符串

    注意：URL不区分大小写

  ---

• 超文本传送协议 HTTP：面向事务的应用层协议，基于TCP协议

  • HTTP工作原理：

    1. Web服务器进程在熟知端口号80上监听
    2. 客户需要请求某个页面时，与服务器建立TCP连接，并传送文件；传送完毕后释放TCP连接

  • HTTP/1.0：每请求一个文档都需要建立一次TCP连接，非持续连接，加重服务器负担

  • HTTP/1.1：使用持续连接，发送响应后在一段时间内保持连接，包括非流水线方式 + 流水线方式

    • 非流水线方式：收到前一个响应后才能发送新的请求，每访问一次对象花费一个RTT时间
    • 流水线方式：收到前一个响应前就能发送新的请求，访问所有多项均只需花费一个RTT时间

  • HTTP报文类型：主要包括以下2类：

    • 请求报文：客户 \(\rightarrow\) 服务器 请求报文
    • 响应报文：服务器 \(\rightarrow\) 客户 回答报文

    注意：HTTP的两类报文都是面向文本的，报文中的字段都是ASCII码串，故每个字段长度不固定

  • HTTP报文结构：两种报文均由三部分组成：

    • 开始行：区分报文类型；请求报文中叫做请求行，响应报文中叫做状态行

      • 请求行：<方法> + <URL> + <HTTP版本>；"方法"也是命令，包括OPTION、GET、POST等

        

      • 状态行：<HTTP版本> + <状态码> + <简单短语>；"状态码"都是三位数字，分为以下5类：

        • 1xx：通知信息，如收到请求 or 正在处理
        • 2xx：成功，如接收 or 知晓
        • 3xx：重定向，如要完成请求必须采取进一步行动
        • 4xx：客户差错，如请求中有错误的语法 or 不能完成
        • 5xx：服务器差错，如服务器无法完成请求

        

    • 首部行：用来说明浏览器 or 服务器 or 报文主体的信息；每行都有首部字段名 + 对应值

    • 实体主体：请求报文中一般不使用该字段；响应报文中也可能没有这个字段

  ---

• 超文本标记语言 HTML：制作万维网页面的标准语言（不是应用层协议）；HTML文档是文本格式

  • 标签 tag：HTML用于排版的命令
  • 浏览器从服务器读取HTML文档（后缀必须是.html），根据显示器分辨率显示页面

  ---

• 安全的HTTP协议（HTTPS）：建立在SSL基础上

  • 熟知端口号：HTTPS为443，而HTTP为80
  • 安全套接层 SSL：Secure Socket Layer，为TCP协议提供信息加密和完整性

---

五、电子邮件

• 电子邮件系统中的实体：分为以下2类：

  • 用户代理UA：电子邮件客户端软件，是用户与电子邮件系统的接口，支持撰写、显示、处理、通信
  • 邮件服务器：用于发送和接收邮件，并向发信人报告传送结果；可以作为客户 or 服务器

  

• 简单邮件传送协议 SMTP：用于发送邮件的协议；发件方是客户、接收方是服务器

  • SMTP通信三阶段：
    1. 连接建立：连接在 SMTP客户 和 SMTP服务器 之间建立（无中间邮件服务器）
    2. 邮件传送
    3. 连接释放：邮件发送完毕后，SMTP释放TCP连接
  • SMTP局限性：不能传输可执行文件 or 其它二进制对象（图片、音乐 等）

• 读取邮件的协议：POP3 和 IMAP

• 电子邮件信息格式：电子邮件分为信封 + 内容；邮件内容分为首部 + 主体

  • 首部字段：其格式包含以下6个字段
    • To：填入若干个收件人的e-mail地址
    • Subject：邮件主题，反映邮件主要内容
    • Cc：抄送，表示给某人发送一个邮件副本
    • From：发件人的e-mail地址
    • Date：发信日期
    • Reply-to：对方回信的地址
  • 主体：由用户自由撰写

• 通用互联网邮件扩充 MIME：增加邮件主体结构，定义了传送非ASCII码的编码规则，改善了SMTP的问题

  • MIME思路：
    • 继续沿用目前的电子邮件信息格式
    • 对二进制数据进行编码，将其转换为7位的ASCII码
  • 新增的5种头部字段：
    • MIME-Version：MIME版本号，一般为1.0
    • Content-Type：报文体中的数据类型和子类型
    • Content-Transfer-Encoding：传输时的编码格式
    • Content-ID：邮件唯一的标识符
    • Content-Description：供人阅读的内容描述字符串，说明主体是否为图像、音频 or 视频
  • 传输编码规则：
    • base64：原二进制数据中每6bit被映射为8bit(ASCII字符)
    • quoted-printable：原二进制数据的8bit(1Byte)换算为2个16进制数，并在每个Byte前加"="