概述

应用层是计算机网络体系结构的最顶层, 是设计和建立计算机网络的最终目的, 也是计算机网络中发展最快的部分

客户/服务器方式 (C/S方式) 和对等方式 (P2P方式)

网络应用程序运行在处于网络边缘的不同的端系统上, 通过彼此间的通信来共同完成某项任务
开发一种新的网络应用首先要考虑的问题是网络应用程序在各种端系统上的组织方式和它们之间的关系

客户/服务器方式

客户和服务器是指通信中所涉及的两个应用进程
客户/服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系
客户是服务请求方, 服务器是服务提供方
服务器总是处于运行状态, 并等待客户的服务请求. 服务器具有固定端口号(例如HTTP服务器的默认端口号为80), 而运行服务器的主机也具有固定的IP地址
C/S方式是因特网上传统的, 同时也是最成熟的方式, 很多我们熟悉的网络应用采用的都是C/S方式. 包括万维网WWW, 电子邮件, 文件传输FTP等
基于C/S方式的应用服务通常是服务集中型的, 即应用服务集中在网络中比客户计算机少得多的服务器计算机上
- 由于一台服务器计算机要为多个客户机提供服务, 在C/S应用中, 常会出现服务器计算机跟不上众多客户机请求的情况
- 为此, 在C/S应用中, 常用计算机群集(或服务器场)构建一个强大的虚拟服务器

对等方式

在P2P方式中, 没有固定的服务请求者和服务提供者, 分布在网络边缘各端系统中的应用进程是对等的, 被称为对等方. 对等方相互之间直接通信, 每个对等方既是服务的请求者, 又是服务的提供者
目前, 在因特网上流行的P2P应用主要包括P2P文件共享, 即时通信, P2P流媒体, 分布式存储等
基于P2P的应用是服务分散型的, 因为服务不是集中在少数几个服务器计算机中, 而是分散在大量对等计算机中
P2P方式的最突出特性之一就是它的可扩展性. 因为系统每增加一个对等方, 不仅增加的是服务的请求者, 同时也增加了服务的提供者, 系统性能不会因规模的增大而降低
P2P方式具有成本上的优势

动态主机配置协议 DHCP

通过UDP实现
工作过程
- DHCP客户在未获取到IP地址时使用地址0.0.0.0

中继代理
- 原因: 不愿意在每个网络都配置一个DHCP服务器

域名系统 DNS(Domain Name System)

DNS报文使用运输层的UDP协议进行封装
因特网采用层次树状结构的域名结构
域名结构由若干个分量组成, 各分量之间用"点"隔开, 分别代表不同级别的域名
- 每一级的域名都由英文字母和数字组成, 不超过63各字符, 不区分大小写字母
- 级别最低的域名写在最左边, 而级别最高的顶级域名写在最右边
- 完整的域名不超过255个字符
域名系统既不规定一个域名需要包含多少个下级域名, 也不规定每一级的域名代表什么意思
各级域名由其上一级的域名管理机构管理, 而最高的顶级域名则由因特网名称与数字地址分配机构ICANN进行管理
顶级域名
域名空间
域名服务器
域名解析的过程
为了提高DNS的查询效率, 并减轻根域名服务器的负荷和减少因特网上的DNS查询报文数量, 在域名服务器中广泛地使用了高速缓存. 高速缓存用来存放最近查询过的域名以及从何处获得域名映射信息的记录
由于域名到IP地址的映射关系并不是永久不变的, 为保持高速缓存中的内容正确, 域名服务器应为每项内容设置计时器并删除超过合理时间的项
在用户主机中, 也需要高速缓存. 许多用户主机在启动时从本地域名服务器下载域名和IP地址的全部数据库, 维护存放自己最近使用的域名的高速缓存, 并且只在从缓存找不到域名时才向域名服务器查询

文件传送协议 FTP(File Transfer Protocol)

FTP提供交互式的访问, 允许客户指明文件的类型与格式(如指明是否使用ASCII码), 并允许文件具有存取权限(如访问文件的用户必须经过授权, 并输入有效的口令)
FTP屏蔽了各计算机系统的细节, 因而适合于在异构网络中任意计算机之间传送文件
控制连接在整个会话期间一直保持打开, 用于传送FTP相关控制命令
数据连接用于文件传输, 在每次文件传输时才建立, 传输结束就关闭

电子邮件

发件人将邮件发送到自己使用的邮件服务器
发件人的邮件服务器将收到的邮件按其目的地址转发到收件人邮件服务器中的收件人邮箱
收件人在方便的时候访问收件人邮件服务器中自己的邮箱, 获取收到的电子邮件
电子邮件系统采用客户/服务器方式
电子邮件系统的三个主要组成构件: 用户代理, 邮件服务器以及电子邮件所需的协议
- 用户代理是用户与电子邮件系统的接口, 又称为电子邮件客户端软件
- 邮件服务器是电子邮件系统的基础设施, 因特网上所有的ISP都有邮件服务器, 其功能是发送和接收邮件, 同时还要负责维护用户的邮箱
- 协议包括邮件发送协议(例如SMTP)和邮件读取协议(例如POP3, IMAP)

简单邮件传送协议 SMTP

电子邮件的信息格式
SMTP协议只能传送ASCII码文本数据, 不能传送可执行文件或其他的二进制对象
SMTP不能满足传送多媒体邮件(例如带有图片, 音频或视频数据)的需要, 并且许多其他非英语国家的文字也无法用STMP传送
为解决SMTP传送非ASCII码文本的问题, 提出了多用途因特网邮件扩展MIME
- 增加了5个新的邮件首部字段, 提供了有关邮件主体的信息
- 定义了许多邮件内容的格式, 对多媒体电子邮件的表示方法进行了标准化
- 定义了传送编码, 可对任何内容格式进行转换, 而不会被邮件系统改变

邮局协议 POP

基于TCP连接的客户/服务器方式
用户只能以下载并删除方式或下载并保留方式从邮件服务器下载邮件到用户计算机. 不允许用户在邮件服务器上管理自己的邮件

因特网邮件访问协议 IMAP

基于TCP连接的客户/服务器方式
用户在自己的计算机上就可以操控邮件服务器中的邮箱, 联机协议

基于万维网的电子邮件

万维网 WWW

万维网并非某种特殊的计算机网络, 它是一个大规模的, 联机式的信息储藏所, 是运行在因特网上的一个分布式应用
万维网利用网页之间的超链接将不同网站的网页链接成一张逻辑上的信息网
为了方便地访问在世界范围的文档, 万维网使用统一资源定位符URL来指明因特网上任何种类"资源"的位置
统一资源定位符 URL(Uniform Resource Locator)
万维网的文档
- HTML: 超文本标记语言HTML (HyperText Markup Language)
  - 使用多种"标签"来描述网页的结构和内容
- CSS: 层叠样式表CSS (Cascading Style Sheets)
  - 从审美的角度来描述网页的样式
- JavaScript: 一种脚本语言
  - 控制网页的行为

超文本传输协议 HTTP(HyperText Transfer Protocol)

HTTP定义了浏览器(即万维网客户进程)怎样向万维网服务器请求万维网文档, 以及万维网服务器怎样把万维网文档传送给浏览器
HTTP/1.0
- 采用非持续连接方式. 在该方式下, 每次浏览器要请求一个文件都要与服务器建立TCP连接, 当收到响应后就立即关闭连接
  - 每请求一个文档就要有两倍的RTT的开销, 若一个网页上有很多引用对象(例如图片等), 那么请求每一个对象都需要花费2RTT的时间
  - 为了减小时延, 浏览器通常会建立多个并行的TCP连接同时请求多个对象, 但这会大量占用服务器资源
HTTP/1.1
- 采用持续连接方式. 在该方式下, 万维网服务器在发送响应后仍然保持这条连接, 使同一个客户(浏览器)和该服务器可以继续在这条连接上传送后续的HTTP请求报文和响应报文
  - 为进一步提高效率, HTTP/1.1的持续连接还可以使用流水线方式工作, 即浏览器在收到HTTP的响应报文之前就能够连续发送多个请求报文
HTTP报文格式
- HTTP是面向文本的, 其报文中的每一个字段都是一些ASCII码串, 并且每个字段的长度都是不确定的