计算机网络原理之应用层

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韩立刚计算机网络：应用层

网络应用程序的体系结构

网络核心设备并不在应用层上起作用，而仅在较低层起作用，特别是位于网络层及下面层次。这种基本设计，也即将应用软件限制在端系统的方法，促进了大量的网络应用程序的迅速研发和部署。

客户 - 服务器体系架构 (client-server architecture)
P2P 体系结构 (P2P architecture)：对位于数据中心的专用服务器有最小的（或着没有）依赖。应用的程序在间断连接的主机对之间使用直接通信，这些主机被称为对等方。目前许多流行的、流量密集型的应用都是 P2P 体系结构的，包括文件共享、因特网电话、IPTV。某些应用具有混合的体系结构，对于许多即时讯息应用而言，服务器被用于跟踪用户的 IP 地址，但用户到用户的报文在用户主机之间直接发送。

P2P 应用具有自扩展性 (self-scalability)，也是成本有效的。但未来 P2P 应用面临三个挑战：

ISP 友好。ISP 受制于 “非对称” 带宽应用，下载要比上载多得多。
安全性。 P2P 是高度开放和分布的。
激励。需要说服用户自愿向应用提供带宽、存储和计算资源。

域名系统 DNS

什么是域名

整个 Internet 网站和各种服务器数量众多，各个组织的服务器都需要给一个名称，这就很容易重名。如何确保 Internet 上的服务器名称在整个 Internet 唯一呢？这就需要 Internet 上有域名管理认证机构进行统一管理。如果你的公司在互联网上有一组服务器（邮件服务器、FTP 服务器、Web 服务器等），你需要为你的公司先申请一个域名，也就是向管理认证机构注册一个域名。

域名的注册遵循先申请先注册为原则，管理认证机构要确保每一个域名的注册都是独一无二、不可重复的。

域名的结构

一个域名下可以有多个主机，域名全球唯一，主机名 + 域名肯定也是全球唯一的，主机名 + 域名称为完全限定域名（FQDN）。

QDN 是 Fully Qualified Domain Name 的缩写，含义是完整的域名。例如，一台机器主机名（hostname）是 www, 域名后缀（domain）是 jonsam.site, 那么该主机的 FQDN 应该是 www.jonsam.site.。

Internet 中的域名服务器

当我们通过域名访问网站或点击网页中的超链接跳转到其他网站，计算机需要将域名解析成 IP 地址才能访问这些网站。DNS 服务器负责域名解析，因此你必须配置计算机使用哪些 DNS 服务器进行域名解析。

域名解析过程

动态主机配置协议 DHCP

静态地址和动态地址应用场景

使用静态地址的情况：IP 地址不经常更改的设备就使用静态地址。比如企业中服务器会单独在一个网段，很少更改 IP 地址或移动到到其他网段，这些服务器通常使用静态地址，使用静态地址还方便企业员工使用地址访问这些服务器。比如学校机房，都是台式机，很少移动，这些计算机最好也使用静态地址。
使用动态地址的情况：网络中的计算机不固定，就应该使用动态地址。无线设备最好也使用动态地址。ADSL 拨号上网通常也是使用自动获得 IP 地址。

DHCP 地址租约

DHCP 租约生成过程

DHCP 客户端会在以下所列举的几种情况下，从 DHCP 服务器获取一个新的 IP 地址：

该客户端计算机是第一次从 DHCP 服务器获取 IP 地址。
该客户端计算机原先所租用的 1P 地址已经被 DHCP 服务器收回，而且已经又租给其他计算机了，因此该客户端需要重新从 DHCP 服务器租用一个新的 1P 地址。
该客户端自己释放原先所租用的 1P 地址，并要求租用一个新的 1P 地址。
客户端计算机更换了网卡。
客户端计算机转移到另一个网段。

租约是如何生成的？

DHCPDISCOVER： DHCP 客户端会先送出 DHCPDISCOVER 的广播信息到网络，以便寻找一台能够提供 IP 地址的 DHCP 服务器。
DHCPOFFER：当网络中的 DHCP 服务器收到 DHCP 客户端的 DHCPDISCOVER 信息后，就会从 IP 地址池中，挑选一个尚未出租的 IP 地址，然后利用广播的方式传送给 DHCP 客户端。
DHCPREQUEST：当 DHCP 客户端挑选好第一个收到的 DHCPOFFER 信息后，它就利用广播的方式，响应一个 DHCPREQUEST 信息给 DHCP 服务器。 (4) DHCPACK： DHCPACK DHCP 服务器收到 DHCP 客户端要求 IP 地址的 DHCPREQUEST 信息后，就会利用广播的方式送出 DHCPACK 确认信息给 DHCP 客户端。

DHCP 地址租约更新

当租约时间过去一半时，客户机向 DHCP 服务器发送一个请求，请求更新和延长当前租约。客户机直接向 DHCP 服务器发请求，最多可重发三次，分别在 4、8 和 16s 时。
如果某台服务器应答一个 DHCP Offer 消息，以更新客户机的当前租约，客户机就用服务器提供的信息更新租约并继续工作。
如果租约终止而且没有连接到服务器，客户机必须立即停止使用其租约 IP 地址。然后，客户机执行与它初始启动期间相同的过程来获得新的 IP 地址租约。

租约更新方法：

自动更新：DHCP 服务自动进行租约的更新，也就是前面部分描述的租约更新的过程，当租约期达到租约期限 50％时，DHCP 客户端将自动开始尝试续租该租约。每次 DHCP 客户端重新启动的时候也将尝试续租该租约。为了续租其租约，DHCP 客户端为它提供租约的 DHCP 服务器发出一个 DHCPREQUEST 请求数据包。如果该 DHCP 服务器可用，它将续租该租约并向 DHCP 客户端提供一个包含新的租约期和任何需要更新的配置参数值的 DHCPACK 数据包。当客户端收到该确认数据包后更新自己的配置。如果 DHCP 服务器不可用，客户端将继续使用现有的配置。
手动更新：如果需要立即更新 DHCP 配置信息，可以手工对 IP 地址租约进行续租操作，例如：如果我们希望 DHCP 客户端立即从 DHCP 服务器上得到一台新安装的路由器的地址，只需简单地在客户端做续租操作就可以了。直接在客户机上的命令提示符下，执行命令： Ipconfig /renew 。

Telnet 协议

TELNET 是一个简单的远程终端协议，它也是因特网的正式标准。用户使用 telnet 客户端就可以连接到远程运行 Telnet 服务的设备（可以是网络设备比如路由器、交换机，也可以是操作系统，比如 Windows 或 Linux），进行远程管理。

TELNET 能将用户的键盘指令传到远地主机，同时也能将远地主机的输出通过 TCP 连接返回到用户屏幕。这种服务是透明的，因为用户感觉到好像键盘和显示器是直接连在远地主机上。因此，TELNET 又称为终端仿真协议。

TELNET 并不复杂，以前应用得很多。现在由于操作系统（Windows 和 Linux）功能越来越强，用户己较少使用 TELNET 了。不过配置 Linux 服务器和网络设备还是需要 TELNET 来实现远程管理和配置。

Telnet 协议工作方式

TELNET 也使用客户端 - 服务端方式。在本地系统运行 TELNET 客户进程，而在远地主机则运行 TELNET 服务器进程。服务器中的主进程等待新的请求，并产生从属进程来处理每一个连接。

TELNET 能够适应许多计算机和操作系统的差异。例如，对于文本中一行的结束，有的系统使用 ASCII 码的回车（CR），有的系统使用换行（LF）。还有的系统使用两个字符，回车 - 换行（CR-LF）。又如，在中断一个程序时，许多系统使用 Control-C，但也有系统使用 ESC 按键。

TELNET 定义了数据和命令应怎样通过网络。这些定义就是所谓的网络虚拟终端 NVT（Network Virtual Terminal）。

RDP（远程桌面协议）

远程桌面协议 RDP

现在 Windows 操作系统很少使用 telnet 进行远程管理了，更多是使用远程桌面进行远程管理。Windows 系统启用远程桌面，客户端使用远程桌面客户端（mstsc）进行连接。它们之间使用 RDP 协议进行通信，RDP 协议默认使用 TCP 的 3389 端口。

超级文本传输协议 HTTP

http 协议

Web 的应用层协议是超文本传输协议（HyperText Transfer Protocol，HTTP）。HTTP 由两个程序实现：一个用户程序和一个服务器程序。两个程序运行在不同的端系统中，通过交换 HTTP 报文进行会话。HTTP 协议定义了这些报文的结构以及客户和服务器进行报文交换的方式。

Web 浏览器实现了 HTTP 的客户端，Web 服务器实现了 HTTP 的服务端。

Web 页面是由对象组成的。一个对象一般是一个文件，如 HTML 文件、JPEG 图形、Java 小程序等，他们通过一个 URL 地址寻址。URL 地址由两部分组成：存放对象的服务器主机名和对象的路径名。

非持续连接和持续连接：如果每一对请求和响应是经过一个单独的 TCP 连接发送，则使用的是非持续连接，如果多个请求和响应是经同一个 TCP 连接发送，则使用的是持续连接。

统一资源定位符号 - URL

绝对路径和相对路径

HTTP 协议版本

设计 HTTP 最初的目的是为了提供一种发布和接收 HTML 页面的方法。HTTP 协议有三个版本 HTTP/0.9、HTTP/1.0、HTTP/1.1，HTTP2.0 目前 HTTP/1.0 和 1.1 被广泛应用。

HTTP 通信流程

HTTP 请求报文和响应报文

HTTP 请求报文：

HTTP 请求报文由四部分组成，每行由一个回车和换行符表示结束。

请求行（Request Line）
请求头（Request Header）
空白行
请求体（Request Body）

Cookie 意为 “甜饼”，是由 W3C 组织提出，最早由 Netscape 社区发展的一种机制。目前 Cookie 已经成为标准，所有的主流浏览器如 IE、Netscape、Firefox、Opera 等都支持 Cookie。

由于 HTTP 是一种无状态的协议，服务器单从网络连接上无从知道客户身份。怎么办呢？就给客户端们颁发一个通行证吧，每人一个，无论谁访问都必须携带自己通行证。这样服务器就能从通行证上确认客户身份了。这就是 Cookie 的工作原理。Cookie 可以导出导入。

通过代理服务器访问网站

文件传输协议 FTP

FTP 是 File Transfer Protocol（文件传输协议）的英文简称。用于 Internet 上的控制文件的双向传输。基于不同的操作系统有不同的 FTP 应用程序，而所有这些应用程序都遵守同一种协议以传输文件。在 FTP 的使用当中，用户经常遇到两个概念：“下载”（Download）和 “上传”（Upload）。“下载” 文件就是从远程主机拷贝文件至自己的计算机上；“上传” 文件就是将文件从自己的计算机中拷贝至远程主机上。用 Internet 语言来说，用户可通过客户机程序向（从）远程主机上传（下载）文件。

简单地说，支持 FTP 协议的服务器就是 FTP 服务器。

FTP 主动模式和被动模式

FTP 协议和其他协议不一样的地方就是客户端访问 FTP 服务器需要建立两个 TCP 连接，一个是用来传输 FTP 命令，一个用来传输数据。在 FTP 服务器上需要开放两个端口，一个命令端口（或称为控制端口）和一个数据端口。通常 21 端口是命令端口，20 端口是数据端口。当混入主动 / 被动模式的概念时，数据端口就有可能不是 20 了。

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