计算机网络自顶向下方法第二章讲义课件.ppt

1、计 算 机 网 络20142014年年9 9月月国防科技学院国防科技学院2第第2 2章章 应用层应用层计算机网络3r浏览新闻浏览新闻r聊天聊天r听音乐听音乐r看电影看电影r看电视看电视r收发收发EmailEmailr下载软件下载软件r网上图书馆网上图书馆r网上商店网上商店r网上银行网上银行r网上医院网上医院r网上大学网上大学r电子商务电子商务.上网？做什么？4E-mailWeb即时讯息远程注册P2P文件共享多用户网络游戏流式存储视频片段因特网电话实时视频会议大规模并行计算 某些网络应用5我们的目标:网络应用协议的概念，实现方面u运输层服务模型u客户机/服务器模式u对等范例 通过考察流行的应用级

2、协议，学习协议uHTTPuFTPuSMTP/POP3/IMAPuDNS 网络应用编程u套接字 API 第2章 应用层6编写程序能够u能够在不同端系统上运行u能够通过网络通信u如Web:Web服务器软件与浏览器软件通信非网络核心设备的程序u三层协议软件(路由器)u二层协议软件(交换机、路由器)应用层运输层层网络层链路层物理层应用层运输层层网络层链路层物理层应用层运输层层网络层链路层物理层 如何创建一个网络应用程序72.1 应用层协议原理应用层协议原理2.2 Web应用和HTTP协议2.3 文件传输协议：FTP 2.4 电子邮件2.5 域名系统DNS2.6 P2P 应用8客户机/服务器对等(P2P

3、)客户机/服务器与P2P的混合 网络应用程序体系结构9C/S模式 u集中结构，一对多u服务器共享资源，客户机资源不共享u服务器可能负载过重u网络带宽限制C/S apps:Web,FTP,Telnet,e-mail 客户机/服务器体系结构10 P2P体系结构P2P模式 u非集中结构，多对多u节点具备客户与服务器双重特性u充分利用终端资源u可扩展性好类型u纯P2P：Gnutellau混合P2P：迅雷11进程：运行在端系统中的程序。在同一台主机中：两个进程使用进程间通信IPC(由操作系统定义)通信.在不同的主机中：进程通过交换报文通信客户机进程:发起通信的进程服务器进程：等待联系的进程r注意：具有P

4、2P体系结构的应用程序具有客户机进程和服务器进程 进程通信12 对于接收报文的进程，必须具有一个标识 一台主机具有一个独特的32比特的IP地址 问题：在主机的IP地址足以标识该进程？答案:在同一台主机上能够运行许多进程 标示符包括IP地址和与主机上该进程相关的端口号.端口号例子:uHTTP 服务器:80u电子邮件服务器:25 一个主机中可能同时运行有多个进程，接收一个主机中可能同时运行有多个进程，接收端从网络收到消息后要交给哪个进程？端从网络收到消息后要交给哪个进程？寻址进程13进程通过套接字在网络上发送/接收报文套接字类似于门u上联应用进程u下联网络协议栈套接字是应用程序与网络之间的API（

5、应用程序编程接口）进程具有缓存、变量的TCP套接字主机或服务器进程具有缓存、变量的TCP套接字主机或服务器因特网由操作系统控制由应用研发者控制 套接字(Socket)14可靠的数据传输 某些应用（如音频）能够容忍某些丢失 其他应用（如文件传输，Telnet）要求100%可靠数据传输定时 某些应用（如因特网电话、交互式游戏）要求“有效的”低时延吞吐量某些应用（如多媒体）要求“有效的”最小量的带宽 其他应用（”弹性应用“）充分利用它们获得的所有带宽安全加密，数据完整性，应用程序需要什么样的运输服务？15应用程序应用程序文件传输电子邮件Web 文档实时音频/视频存储音频/视频交互式游戏即时讯息数据丢

6、失数据丢失不能丢失 不能丢失 不能丢失 容忍丢失 容忍丢失 容忍丢失 不能丢失 带宽带宽弹性弹性弹性音频:5kbps-1Mbps视频:10kbps-5Mbps同上 几kbps以上弹性时间敏感时间敏感不不不是,100s msec是,几秒是,100 msec 普通应用的运输服务要求16TCP服务:面向连接:客户机和服务器之间所需的建立可靠传输：在发送和接收进程之间流控制:发送方不会淹没接收方拥塞控制:当网络过载时抑制发送方并不提供:定时，最小带宽保证UDP服务:在发送进程及接收进程之间的不可靠数据传输 不提供：建立连接建立，可靠性，流控，拥塞控制，定时或带宽保证问题:为什么需要UDP?因特网运输协

7、议服务17 应用 应用层协议下面的传输协议电子邮件SMTP RFC 2821TCP远程终端访问Telnet RFC 854 TCPWebHTTP RFC 2616TCP文件传输FTP RFC 959TCP远程文件服务器NFS McKusik 1996UDP或TCP流媒体通常专用（如Real Networks）UDP或TCP因特网电话通常专用（如Net2phone）典型用UDP 因特网应用：应用协议与运输协议182.1 应用层协议原理2.2 Web应用和应用和HTTP协议协议2.3 文件传输协议：FTP 2.4 电子邮件2.5 域名系统DNS2.6 P2P 应用19 Web和HTTP20 Web

8、和HTTPWeb：World wide Web，万维网，也称Web，是一种互联网应用。web：网页，网站发展uWeb1.0 阅读式网站uWeb2.0 用户参与，语义网：内容机器可理解21 Web和HTTPWeb的应用层协议是HTTP，超文本传输协议Web页面由对象组成u一个基本HTML文件u多个引用对象：图片，java小程序，视频文件每个对象可由URL寻址 URL(Uniform Resource Locator 统一资源定位符)的例子:http:/ HTTP协议运行在客户与服务器端的应用程序中u客户机:请求、接收，”显示“Web对象u服务器:Web服务器响应请求而发送对象 通过交换HTTP消

9、息进行交流 HTTP 1.0:RFC 1945 HTTP 1.1:RFC 2068PC 运行Explorer服务器运行Apache Web服务器Mac 运行NavigatorHTTP 请求HTTP 请求HTTP 响应HTTP 响应 HTTP概况23使用TCP:客户机向服务器发起TCP连接(产生套接字)，端口80 服务器从客户机接受TCP连接 在浏览器(HTTP客户机)和Web服务器(HTPP服务器)之间交换HTTP报文(应用层协议报文)关闭TCP 连接HTTP是”无状态的“服务器不保留有关客户机过去请求的任何信息 用户的状态信息由Cookies来实现 HTTP概述(续)24非持久HTTP 每个

10、HTTP请求/响应对经过一个单独TCP连接发送 HTTP/1.0使用非持久 HTTP持久HTTP 多个对象能够经过客户机和服务器之间的单个TCP连接发送 HTTP/1.1以默认模式使用持久连接 非持久连接与持久连接25假定输入URL www.someSchool.edu/someDepartment/home.index1a.HTTP客户机向HTTP服务器(进程)的80端口的www.someSchool.edu发起TCP连接2.HTTP客户机发送 HTTP 请求报文(包含URL)进TCP 连接套接字.报文指示客户机要对象someDepartment/home.index1b.在主机www.so

11、meSchool.edu 的HTTP服务器在80端口等待TCP连接“接受”连接，通知客户机3.HTTP服务器接收请求报文，形成响应报文包含请求对象，并向套接字其发送报文time(包括文本和对10个jpeg图片的引用 images)非持久HTTP265.HTTP客户机接收包含html文件的响应报文，显示html.解析html文件，发现10个引用的 jpeg对象6.对10个jpeg对象重复步骤1-54.HTTP服务器关闭TCP 连接time 非持久HTTP(续)27往返时间RRT的定义:从客户机到服务器发送一个小分组并返回所历经的时间.响应时间(1个HTML文件):建立TCP连接：1个RTT 对H

12、TTP请求和响应返回的前几个字节：1个RTT 文件传输时间总响应=2RTT+传输时间传输文件的时间发起TCP连接RTT请求文件RTT接收的文件时间时间 响应时间估算28非持久HTTP缺点:串行访问时间长 并行访问资源占用多持久HTTP 在发送响应后，保持TCP连接持续打开 后继HTTP报文通过该连接持续发送无流水线的持续:仅当前面的响应已经收到，客户机发出新的请求 对每个引用对象花费一个RTT有流水线的持续:在HTTP/1.1 为默认（不必等待）请求接连发出 所有引用对象花费一个RTT（略多）时间 持久HTTP29 两类HTTP报文：请求报文，响应报文 HTTP请求报文:u例子，ASCII(人

13、可读的格式)GET/somedir/page.html HTTP/1.1Host:www.someschool.edu User-agent:Mozilla/4.0Connection:close Accept-language:fr(另外的回车，换行)请求行(GET,POST,HEAD命令)首部行回车，换行指示报文的结束 HTTP请求报文30 HTTP请求报文:通用格式通用格式u请求行：第1行，方法字段，URL字段，版本字段u首部行：一般多行u实体主体：可为空31 GET：最常用，请求访问网页，实体主体为空 POST：常用，提交表单同时请求访问网页，如使用搜索引擎，实体主体中为表单输入值 H

14、EAD：少用，测试用，与GET区别在于响应中去掉请求的对象 PUT：很少用，向URL字段中定义的路径，上载在实体主体中文件 DELETE，很少用，删除在URL字段中定义的文件 方法类型32HTTP/1.1 200 OK Connection closeDate:Thu,06 Aug 1998 12:00:15 GMT Server:Apache/1.3.0(Unix)Last-Modified:Mon,22 Jun 1998.Content-Length:6821 Content-Type:text/html data data data data data.状态行(协议状态码状态短语)首部行

15、数据，如请求的HTML文件 HTTP响应报文观察HTTP响应报文例子33 HTTP响应报文:通用格式通用格式u状态行：第1行，版本字段，状态码字段，短语字段u首部行：一般多行u实体主体：报文的主体34200 OKu请求成功，请求的对象在这个报文后面301 Moved Permanentlyu请求的对象已转移，新的URL在响应报文的Location:首部行中指定400 Bad Requestu请求报文不为服务器理解404 Not Foundu请求的文档没有在该服务器上发现505 HTTP Version Not Supported在服务器到客户机响应报文中的首行.一些编码的例子:HTTP响应状态

16、码35 使用telnet工具进行HTTP实验telnetuInternet远程登陆协议uInternet远程登陆命令u允许用户登录进入远程主机系统利用SecureCRT工具进行实验：一款支持SSH，telnet，rlogin协议的登录软件u在软件中建立telnet协议会话: 80u运行GET/s/2/t/851/p/11/c/832/d/842/list.htmu观察结果（设置编码方式为UTF-8）西南科技大学学校简介西南科技大学学校简介http:/ 使用telnet工具进行HTTP实验37 用户与服务器的交互：cookieHTTP是一种无状态协议，不能保存客户信息Cookie是一种在客户端保

17、持HTTP状态信息的技术（好比：商场优惠卡）u客户端访问网站时，Web服务器会查看、创建、修改Cookie资料u帮助Web站点保存访问者信息：浏览历史，购物车cookie技术组成ucookie识别码（http请求报文，http响应报文）u客户端保留cookie文件u服务器提供后端数据库38客户机服务器普通HTTP请求报文普通HTTP请求+Set-cookie:1678 普通HTTP请求报文cookie:1678普通HTTP响应报文普通HTTP请求报文cookie:1678普通HTTP响应报文特定cookie动作特定cookie动作服务器为用户生成ID 1678后端数据库中的表项访问访问Cook

18、ie fileamazon:1678ebay:8734Cookie fileebay:8734Cookie fileamazon:1678ebay:8734一个星期以后:Cookie工作过程（例）Susan访问Amazon网站39 Cookies练习对IE浏览器进行设置，使能或禁止cookie功能查找本地上网主机的cookie文件，删除后访问某经常访问的网站，如：http:/ 请求HTTP 请求HTTP 响应HTTP 响应HTTP 请求HTTP 响应起始服务器2起始服务器1 Web缓存(代理服务器)HTTP 请求HTTP 响应好处：1）减小客户机请求的响应时间；2）减少机构内部网与因特网接入链

19、路的通信量41假定 平均对象长度=100,000比特 来自机构的浏览器的平均请求=15/sec 从机构路由器到任何起始服务器并返回的时延=2 sec结果 局域网利用率=15%访问链路利用率=100%总时延 =因特网时延+访问时延+LAN时延 =2 sec+分钟+毫秒起始服务器公共因特网机构网络10 Mbps LAN1.5 Mbps 访问链路 缓存例子 42可能的解决方案 将访问链路的带宽提高到如10 Mbps结果 LAN利用率=15%访问链路利用率=15%总时延 =因特网时延+访问时延+LAN时延 =2 sec+毫秒+毫秒 通常升级费用可观起始服务器公共因特网机构网络10 Mbps LAN10

20、 Mbps 访问链路 缓存例子(续)43安装缓存器 假定命中率是0.4结果 40%请求几乎立即得到满足 60%请求由起始服务器满足 访问链路的利用率减少到60%,产生可忽略不计的时延(如10 msec)总平均时延=因特网时延+访问时延+LAN时延 =0.6*2.01 secs +0.4*10msec 1.4 secs起始服务器公共因特网机构网络10 Mbps LAN1.5 Mbps 访问链路机构缓存器 缓存例子(续)44 目的:如果缓存中有最新缓存版本，就不发送该对象 缓存器:在HTTP请求If-modified-since:中，中，指定缓存版版本的日期本的日期 服务器：如果缓存的拷贝是最新，

21、响应不包含对象:HTTP/1.0 304 Not Modified缓存器服务器HTTP 请求报文If-modified-since:HTTP 响应HTTP/1.0 304 Not Modified不修改对象HTTP 请求报文If-modified-since:HTTP响应HTTP/1.0 200 OK修改对象 条件GET方法缓存中的对象可能不是最新？解决：条件GET452.1 应用层协议原理2.2 Web应用和HTTP协议2.3 文件传输协议：文件传输协议：FTP 2.4 电子邮件2.5 域名系统DNS2.6 P2P 应用46 FTP：文件传输协议提供网络中的文件共享与传输FTP早于HTTP协

22、议约10年，互联网还相对封闭传输文件到/来自远程主机客户机/服务器模型u客户机:发起传输的一侧(到/来自远程之一)u服务器:远程主机文件传输FTP服务器FTP用户接口FTP客户机本地文件系统远程文件系统主机上的用户47 双TCP连接u控制连接，端口21（http带内控制，ftp带外控制）u数据连接，端口20 通过操作命令实现远程交互式访问u登录，用户名，密码u浏览文件u选择文件，下载FTP客户机FTP服务器TCP 控制连接端口 21TCP 数据连接端口20 FTP协议特点48命令示例:经控制信道以ASCII 文本发送 USER username PASS password LIST返回当前目录

23、中的文件列表 RETR filename获取(get)文件 STOR filename 存储(puts)文件到远程主机返回码示例：状态码和短语(如在HTTP中的那样)331 Username OK,password required 125 data connection already open;transfer starting 425 Cant open data connection 452 Error writing file FTP命令,响应492.1 应用层协议原理2.2 Web应用和HTTP协议2.3 文件传输协议：FTP 2.4 电子邮件电子邮件2.5 域名系统DNS2.6

24、P2P 应用50电子邮件系统组成:用户代理 邮件服务器 简单邮件传输协议:SMTP用户代理 亦称为“邮件阅读器”例如Outlook,Foxmail 邮件服务器 邮件队列 存储转发，非实时通信 用户邮箱输出报文队列邮件服务器用户代理用户代理用户代理邮件服务器用户代理用户代理邮件服务器用户代理SMTPSMTPSMTP 电子邮件系统511)Alice使用UA写作报文并向 bobsomeschool.edu发送2)Alice的UA向其邮件服务器发送报文；报文放置在报文队列中3)SMTP的客户机侧打开与Bob的邮件服务器的TCP连接4)SMTP通过TCP连接发送Alice的报文5)Bob的邮件服务器将该

25、报文放入Bob的邮箱6)Bob调用其用户代理来读报文用户代理邮件服务器邮件服务器用户代理123456 场景:Alice 向 Bob发送报文52 电子邮件协议SMTP（简单邮件传输协议）：最常用的电子邮件传输协议POP3（邮局协议）：最常用的电子邮件接收协议IMAP4（网络邮局访问协议）：POP3的替代协议，提供邮件处理新功能另：HTTP协议也用于电子邮件，网页访问邮箱53SMTP是一个相对简单的基于文本的协议u报文必须以7比特ASCII格式u二进值文件可通过MIME编码后再传SMTP服务器端使用端口号25采用命令/响应交互u命令：HELO，MAIL FROM,RCPT TO,DATA,QUIT

26、u响应：状态码及短语传输的三个阶段u握手，传输，关闭 SMTP54 S:220 hamburger.edu C:HELO crepes.fr S:250 Hello crepes.fr,pleased to meet you C:MAIL FROM:S:250 alicecrepes.fr.Sender ok C:RCPT TO:S:250 bobhamburger.edu.Recipient ok C:DATA S:354 Enter mail,end with.on a line by itself C:Do you like ketchup?C:How about pickles?C:.

27、S:250 Message accepted for delivery C:QUIT S:221 hamburger.edu closing connection SMTP交互的示例55利用工具利用工具SecureCRT，telnet上邮件服务器上邮件服务器utelnet 端口 25uHELOuAUTH LOGINu输入账号,回车,输入密码uMAIL FROMuRCPT TOuDATAu内容，CRLF.CRLF 练习：通过SMTP命令发电子邮件helo jsjwlauth loginbmV0d29ya3MyMDEybmV0d29ya3M=mail from:rcpt to:dataform:t

28、o:soldier_subject:MY-hellohello,my name is XYZ密码：密码：networksnetworks2012:bmV0d29ya3MyMDEy(base64编码编码)Networks:bmV0d29ya3M=(base64编码编码)56 练习：通过SMTP命令发电子邮件57首部行,如uTo:uFrom:uSubject:不同于SMTP命令!主体u“报文”,均为ASCII 字符CRLF.CRLF结束首部主体空行 邮件报文格式58 MIME:Multipurpose Internet Mail Extension（多用途因特网邮件扩展）在报文首部的附加行声明MI

29、ME内容类型 报文格式:多媒体扩展59 邮件访问协议：从服务器获取邮件uPOP3:邮局协议（Post Office Protocol）u授权(代理 服务器)并下载uIMAP4:因特网邮件访问协议 u更多功能u操作存储在服务器上的报文用户代理发送方邮件服务器用户代理SMTPSMTP访问协议接收方邮件服务器 邮件访问协议(POP3&IMAP4)60今天越来越多的用户使用基于今天越来越多的用户使用基于WebWeb的电子邮件的电子邮件uHotmail，163邮箱等等基于基于WebWeb的电子邮件的电子邮件uUA是 浏览器u使用 HTTP而不是SMTP发送到源邮件服务器u使用SMTP 发送邮件到目的邮件

30、服务器 基于基于WebWeb的电子邮件的电子邮件612.1 应用层协议原理2.2 Web应用和HTTP协议2.3 文件传输协议：FTP 2.4 电子邮件2.5 域名系统域名系统DNS2.6 P2P 应用62人:许多标识符u名字,身份证号,学号,护照号因特网主机、路由器:u主机名：uIP地址(32 bit)：220.166.52.4问题:IP地址和名字之间的映射？DNS:域名系统DNS:Domain Name System域名系统u同时:Domain Name Server域名服务器,DNS协议u分布式数据库，提供名字服务DNS完成主机名到IP地址的解析63为何不用集中式DNS?单点故障通信量远

31、程集中式数据库维护DNS服务主机名到IP地址的转换主机别名负载分配u复制的Web服务器：对一个规范名的IP地址集合 DNS 64根DNS服务器com DNS 服务器org DNS 服务器edu DNS 服务器poly.eduDNS 服务器umass.eduDNS 服务器DNS 服务器DNS 服务器pbs.orgDNS 服务器三类DNS服务器u根DNS服务器u顶级域(TLD)服务器u权威DNS服务器本地DNS服务器：代理 分布式、等级制数据库域名结构u根域：（.）u顶级域：.com,.cnu二级域：u三级域：u更多级别：65根DNS服务器:（逻辑）全球13个，美国10个，欧洲1个，亚洲1个顶级域

32、(TLD)服务器:负责com,org,net,edu等，以及所有顶级国家域cn,uk,fr,ca,jp.权威DNS服务器:组织的DNS 服务器为组织的服务器(如Web和电子邮件)提供对IP映射的权威主机名：国内10万余台 DNS服务器查询方式：逐级查询（递归或迭代）66请求主机cis.poly.edugaia.cs.umass.edu根DNS 服务器本地DNS 服务器dns.poly.edu123456权威 DNS 服务器dns.cs.umass.edu78顶级域DNS 服务器 位于cis.poly.edu的主机为gaia.cs.umass.edu 要求IP地址 例子：迭代查询1.客户端向本地

33、DNS服务器发起查询:请求gaia.cs.umass.edu的IP2.本地DNS向根DNS查询：.edu顶级域DNS服务器地址3.根DNS回应.edu顶级域DNS服务器地址4.本地DNS向.edu顶级域DNS查询.umass.edu的权威DNS服务器地址5.8.67请求主机cis.poly.edugaia.cs.umass.edu根DNS服务器本地DNS服务器dns.poly.edu12456权威DNS 服务器dns.cs.umass.edu78TLD DNS 服务器3 例子：递归查询位于cis.poly.edu的主机为gaia.cs.umass.edu 要求IP地址1.客户端向本地DNS服务器发起查询:请求gaia.cs.umass.edu的IP2.本地DNS向根DNS查询：请求gaia.cs.umass.edu的IP3.根DNS向.edu顶级域DNS服务器查询：请求gaia.cs.umass.edu的IP4.edu顶级域DNS向.umass.edu的权威DNS查询：5.8.68重要内容：网络应用程序体系结构。各个应用层协议（HTTP,FTP,SMTP）的作用及端口。HTTP的持久连接与非持久连接。DNS的作用，层次，域名解析过程。访问网站的步骤。本章小结与作业作业：对上述5点重要内容进行简答P115：1题；P118，10题