計算機網絡 --應用層

一、應用層概述

1. 功能

• 應用層為應用程序通信提供直接服務，這種服務是用戶能夠直接感知到的數據通信服務。
• 核心功能包括：
  • 文件傳輸：實現不同設備間文件的傳輸操作。
  • 訪問管理：對用戶訪問資源等進行管理。
  • 電子郵件：支持郵件的發送、接收與存儲管理等功能。
  • 虛擬終端：為用戶提供虛擬的終端環境，方便遠程操作等。
  • 查詢服務：例如查詢數據庫等操作。

2. 核心協議

• FTP（文件傳輸協議）：專門用于在網絡上進行文件傳輸的協議。
• SMTP/POP3/IMAP（電子郵件協議）：
  • SMTP（簡單郵件傳輸協議）：主要負責郵件的發送，包括客戶端到服務器以及服務器之間的郵件傳輸。
  • POP3（郵局協議版本3）：用戶從服務器下載郵件到本地進行離線閱讀，下載后可刪除服務器上的副本。
  • IMAP（互聯網消息訪問協議）：用戶可在線同步管理郵件，并且保留服務器上的副本。
• HTTP（超文本傳輸協議）：用于在萬維網上傳輸超文本等資源。
• DNS（域名解析系統）：實現域名到IP地址的映射解析，使用戶輸入的域名能夠被轉換為對應的IP地址。

二、網絡應用模型

1. C/S模型（客戶端 - 服務器模型）

角色劃分

• 服務器：
  • 持續運行，不間斷地為客戶端提供服務。
  • 例如Web服務器提供網頁瀏覽服務，郵件服務器提供郵件存儲轉發等服務。
• 客戶端：
  • 主動發起服務請求的一方。
  • 通過與服務器建立連接來獲取所需資源，如訪問網頁、下載文件或者獲取郵件等。

典型應用

• Web訪問：用戶使用瀏覽器（客戶端）向Web服務器請求網頁資源。
• FTP文件傳輸：客戶端向FTP服務器請求文件的上傳或下載操作。
• 電子郵件：客戶端與郵件服務器交互，實現郵件的收發操作。

2. P2P模型（對等網絡模型）

特點

• 網絡中的節點具有雙重身份，既是客戶端又是服務器。
• 資源共享效率高，因為節點之間可以直接交互，無需依賴中央服務器進行資源的中轉。

優勢

• 去中心化：不存在中心控制節點，每個節點地位平等，降低了單點故障的風險。
• 擴展性強：例如在迅雷下載、BT資源分享中，新加入的節點可以增加整個網絡的資源共享能力。

示例

• 在下載電影時，多個節點相互傳輸部分數據，共同加速電影文件的下載速度。

三、DNS域名系統

1. 核心功能

• 主要功能為將用戶輸入的域名轉換為對應的IP地址，即實現域名到IP地址的映射解析。這一功能是網絡通信中至關重要的環節，因為計算機在網絡中是通過IP地址進行通信的，而域名則是方便用戶記憶和使用的標識。

2. 域名結構

• 層級結構：采用三級域名.二級域名.頂級域名的形式。
  • 頂級域名（TLD）：
    • .com：主要用于商業機構。
    • .edu：用于教育機構。
    • .gov：用于政府機構。
    • .cn：是中國的國家代碼頂級域名。
  • 二級域名：例如baidu（百度公司的域名部分）、pku（北京大學的域名部分）等，是由各個組織或機構自行定義的標識。
  • 三級域名：像www通常作為默認主機名，也可以是其他自定義的名稱，用于進一步細分域名下的不同服務或主機。

3. DNS解析過程

遞歸查詢（本地服務器代查）

• 當主機需要查詢域名對應的IP地址時：
  • 首先查詢本地DNS緩存，如果在緩存中能夠找到對應的解析結果，則直接使用，無需進一步查詢。
  • 如果本地DNS緩存未命中，則向本地DNS服務器發送查詢請求。
  • 本地DNS服務器會按照順序依次向根DNS服務器、頂級DNS服務器、權限DNS服務器進行遞歸查詢，直到獲取到域名對應的IP地址并返回給主機。

迭代查詢（本地服務器自主查）

• 主機向本地DNS服務器發起查詢請求后：
  • 本地DNS服務器首先向根DNS服務器查詢，根DNS服務器返回頂級DNS服務器的地址。
  • 本地DNS服務器根據根DNS服務器返回的地址，直接向頂級DNS服務器查詢，頂級DNS服務器返回權限DNS服務器的地址。
  • 最后本地DNS服務器根據頂級DNS服務器返回的地址，直接向權限DNS服務器查詢，獲取域名對應的IP地址。

4. 服務器類型

• 根域名服務器：
  • 全球共有13組根域名服務器，其主要存儲頂級域名服務器的地址信息。
  • 在DNS解析過程中起著關鍵的引導作用。
• 本地域名服務器：
  • 是用戶直接訪問的首個DNS服務器。
  • 負責接收用戶的查詢請求，并根據情況進行遞歸查詢或者迭代查詢。

四、FTP文件傳輸協議

1. 特點

• 基于C/S模型：遵循客戶端 - 服務器的交互模式。
• 采用TCP可靠傳輸：確保文件傳輸過程中數據的準確性和完整性，避免數據丟失或出錯。
• 雙端口機制：
  • 控制連接（端口21）：主要用于傳輸命令，例如客戶端請求文件的操作指令等。
  • 數據連接（端口20）：專門用于傳輸文件的實際內容。

2. 工作流程

• 首先，客戶端通過21端口與服務器建立控制連接。
• 然后，服務器啟動子進程來處理客戶端的請求，并通過20端口建立數據連接，用于傳輸文件。

五、電子郵件系統

1. 核心組件

• 用戶代理（UA）：
  • 客戶端軟件，例如Outlook等。
  • 其主要功能包括撰寫郵件、發送郵件以及接收郵件，為用戶提供方便的郵件操作界面。
• 郵件服務器：
  • 主要負責存儲和轉發郵件。
  • 在郵件發送時使用SMTP協議，在接收郵件時使用POP3或IMAP協議。

2. 協議與流程

• SMTP（簡單郵件傳輸協議）：
  • 用途：
    • 主要用于發送郵件，包括從客戶端到服務器以及服務器之間的郵件傳輸。
  • 三階段：
    • 連接建立：客戶端與服務器建立連接，準備進行郵件傳輸。
    • 郵件傳輸：實際進行郵件內容的傳輸操作。
    • 連接釋放：傳輸完成后，釋放連接資源。
  • 基于TCP端口25。
• POP3/IMAP：
  • 用途：從服務器下載郵件到本地，是用戶主動拉取郵件的操作。
  • POP3特點：
    • 操作簡單，適用于用戶進行離線閱讀郵件。
    • 下載郵件后會刪除服務器上的副本。
  • IMAP特點：
    • 可以實現在線同步管理郵件，方便用戶在不同設備上同步郵件狀態。
    • 保留服務器上的副本，不會在下載后刪除服務器上的郵件。

六、萬維網與HTTP協議

1. 核心概念

• 萬維網（WWW）：
  • 由超文本、URL、HTTP協議共同構成的全球性資源網絡。
  • 為用戶提供豐富的信息資源，通過超鏈接可以方便地在不同資源之間進行跳轉訪問。
• URL（統一資源定位符）：
  • 格式為協議://主機:端口/路徑，例如http://www.baidu.com。
  • 通過URL可以準確地定位網絡中的資源位置。

2. HTTP協議

• 特點：
  • 無狀態：協議本身不保存之前的交互狀態信息，每個請求都是獨立的。
  • 基于TCP（端口80）：利用TCP協議的可靠傳輸特性來保證數據的正確傳輸。
  • 支持持久連接：在一定時間內可以保持連接，減少連接建立和釋放的開銷，提高傳輸效率。
• 工作流程：
  • 瀏覽器首先解析URL，通過DNS獲取服務器的IP地址。
  • 然后建立TCP連接，這個過程通過三次握手來完成。
  • 接著發送HTTP請求，例如GET /index.html等請求指令，獲取特定的資源。
  • 服務器收到請求后，響應請求并返回相應的資源，如HTML文件、圖片等。
  • 最后釋放TCP連接，通過四次揮手來完成連接的關閉操作。

3. HTML與超鏈接

• HTML（超文本標記語言）：
  • 用于定義網頁的內容和結構，通過各種標簽來組織文字、圖片、鏈接等元素。
• 超鏈接：
  • 通過URL實現資源的跳轉，使用戶可以方便地從一個網頁跳轉到另一個相關的網頁或者資源。

七、補充要點

1. 域名書寫規則

• 域名書寫時，頂級域名應寫在最后，例如.com.cn是正確的寫法，而.cn.com是錯誤的寫法。

2. 協議用途

• SMTP：主要用于郵件的發送，包括服務器之間的郵件傳輸。
• POP3/IMAP：主要用于郵件的接收，即用戶從服務器拉取郵件。

3. 端口號

• FTP：控制連接使用端口21，數據連接使用端口20。
• HTTP：使用端口80。
• SMTP：基于TCP端口25。

4. DNS解析類型

• 遞歸查詢：本地服務器代查，按照根DNS服務器、頂級DNS服務器、權限DNS服務器的順序依次查詢。
• 迭代查詢：本地服務器自主查詢，根據根DNS服務器返回的頂級DNS服務器地址，再根據頂級DNS服務器返回的權限DNS服務器地址進行查詢。