第六章 应用层

应用层是网络体系结构中的最高层，也是直接面向用户和应用程序的一层。它通过使用传输层提供的服务，为各类网络应用定义了通信规则和交互协议，是计算机网络与实际应用之间的桥梁。

一、 应用层概述

1. 核心功能：为应用程序提供网络通信服务，定义应用程序进程间通信和交互的规则。
2. 核心概念：

• 应用层协议：定义了运行在不同端系统上的应用程序进程如何相互传递报文，包括报文类型、语法、语义、时序等。

• 客户端/服务器（C/S）模式与对等（P2P）模式：两种主流的应用体系结构。

二、 主要应用层协议与服务

1. 域名系统（DNS）

• 功能：将人们易于记忆的域名（如www.example.com）解析为机器用于路由的IP地址。

• 工作原理：采用分布式、层次化的数据库系统，包含根域名服务器、顶级域名服务器、权威域名服务器和本地域名服务器。查询方式主要有递归查询和迭代查询。

• 资源记录：存储在DNS服务器中的数据单元，核心记录类型包括A记录（IPv4地址）、AAAA记录（IPv6地址）、CNAME记录（别名）、MX记录（邮件服务器）等。

1. 万维网（WWW）与超文本传输协议（HTTP）

• 核心组件：Web页面（由对象组成，如HTML文件、图片等）、Web浏览器（客户端）、Web服务器。

• HTTP协议：无状态的应用层协议，用于传输超文本。

• 非持久连接与持久连接：HTTP/1.0默认非持久，HTTP/1.1默认持久。

• 报文结构：请求报文（请求行、首部行、实体体）和响应报文（状态行、首部行、实体体）。

• 方法：GET、POST、HEAD、PUT、DELETE等。

• 状态码：如200 OK、404 Not Found、500 Internal Server Error。

• Cookie与Session：用于跟踪用户状态、管理会话的机制。

• Web缓存/代理服务器：减少响应延迟和网络流量。

1. 电子邮件系统

• 三大核心组件：用户代理（如Outlook）、邮件服务器、邮件传输协议。

• 主要协议：

• 简单邮件传输协议（SMTP）：用于从发送方邮件服务器到接收方邮件服务器的“推送”邮件，使用TCP端口25，采用ASCII码命令/响应交互。

• 邮局协议第三版（POP3）和互联网邮件访问协议（IMAP）：用于用户代理从邮件服务器“拉取”邮件到本地。POP3简单，邮件下载后通常从服务器删除；IMAP更复杂，允许在服务器上管理邮件文件夹。

• 多用途互联网邮件扩展（MIME）：扩展SMTP，支持非ASCII文本、多媒体附件等。

1. 文件传输协议（FTP）

• 功能：在异构主机间可靠地传输文件。

• 特点：使用两个并行的TCP连接。

• 控制连接（端口21）：在会话期间始终保持，用于传输命令和响应。

• 数据连接（端口20）：用于传输每个文件，传输完毕后关闭。

• 模式：主动模式（服务器主动连接客户端数据端口）和被动模式（服务器被动等待客户端连接其数据端口）。

1. 动态主机配置协议（DHCP）

• 功能：为主机动态分配IP地址及其他网络配置参数（如子网掩码、默认网关、DNS服务器）。

• 工作过程（四个主要报文）：DHCP发现（广播）、DHCP提供、DHCP请求、DHCP确认。

• 租用期：分配的IP地址有使用期限，需续租。

1. 终端网络（TELNET）与安全外壳协议（SSH）

• TELNET：提供远程登录服务的协议，使用TCP端口23，但传输内容（包括密码）未加密，安全性差。

• SSH：用于安全远程登录和其他安全网络服务的协议，加密所有传输数据，替代TELNET。

三、 应用层协议传输层支撑

• 大多数应用层协议运行在传输层协议之上：

• 可靠数据传输、面向连接：通常使用TCP（如HTTP、SMTP、FTP控制连接、POP3、IMAP、SSH）。

• 实时性要求高、能容忍部分丢失：通常使用UDP（如DNS查询、流媒体、实时语音视频、DHCP）。

四、 P2P应用架构简介

• 特点：没有永远在线的服务器，任意端系统（对等方）之间直接通信，每个节点既是客户端也是服务器，具有自扩展性。

• 应用实例：文件分发（如BitTorrent）、流媒体、即时通讯等。

• 核心挑战：如何高效地定位所需资源。常用方法：集中式目录（如早期Napster）、查询洪泛（如Gnutella）、分布式散列表（DHT，如BitTorrent的Trackerless模式）。

五、 套接字编程接口（Socket API）

• 作用：应用层与传输层之间的编程接口，是应用程序使用网络协议的入口。

• 核心操作：创建套接字、绑定地址和端口、建立连接（TCP）、监听连接（TCP服务器）、发送/接收数据、关闭连接。

应用层协议是网络应用的灵魂，它们基于底层网络通信设施，定义了丰富多彩的网络服务如何实现。理解不同协议的设计目标、工作原理、报文格式和交互过程，是掌握计算机网络应用技术的关键。