第8章 計算機網絡應用

第8章計算機網絡應用計算機網絡技術計算機網絡的基本功能是資源共享。隨著通信技術的發(fā)展和多媒體技術的廣泛應用，Internet的功能越來越強大，其用途也更加多樣化，常用的功能有電子郵件的收發(fā)、文件的下載和上傳、萬維網的信息瀏覽等。Internet提供的這些功能給我們的日常生活帶來了極大的便利，那么它們的實現原理是什么呢？引子【知識目標】

1.學習常見的Internet接入方式。

2.學習DNS、WWW、FTP和電子郵件等常用應用層服務的基本原理。

3.學習P2P技術的網絡拓撲結構及應用。【技能目標】1.能夠配置DNS的服務器和客戶端。2.能夠搭建WWW服務器和FTP服務器?！舅仞B(yǎng)目標】1.培養(yǎng)探究科學規(guī)律的精神。2.培養(yǎng)自主學習和動手實踐的能力。學習目標8.1網絡應用概述8.1.1網絡應用與應用層協(xié)議網絡應用需要通過相應的應用層協(xié)議來支持。例如，HTTP，FTP，SMTP和Telnet等等。這些應用層協(xié)議的主要職責是把文件從一臺主機傳送到另一臺主機，協(xié)議的主要內容是定義：（1）消息的內容，例如請求消息和響應消息。（2）各種消息類型的語法結構，也就是消息中的域(field)以及如何描述消息中的域。（3）域的語義，也就是域所包含的信息的含義（4）確定通信程序何時發(fā)送消息和接收消息的規(guī)則。8.1.2Internet應用簡介1.DNS2．WWW服務3．電子郵件服務4．FTP服務5．Telnet協(xié)議6.即時通信7．流媒體

8.2常見的Internet接入方式8.2.1撥號接入方式由于接入費用低廉，撥號接入方式曾經是使用最普遍的一種接入方式，現在仍然在商場的POS系統(tǒng)和線路備份方面使用。

PSTN接入結構圖8.2.2光纖接入網光纖接入能夠確保向用戶提供10mbit/s，100mbit/s，1000mbit/s的高速帶寬，可直接匯接到CHINANET等骨干結點。主要適用于商業(yè)集團用戶和智能化小區(qū)局域網的高速接入。目前可向用戶提供三種具體接入方式。

（1）光纖+以太網接入（2）光纖+HOMPEPNA

（3）光纖+VDSL光纖接入網（OAN）從系統(tǒng)分配上分為有源光網絡（AON，ActiveOpticalNetwork）和無源光網絡（PON，PassiveOpticaOpticalNetwork）兩類。有源光網絡又可分為基于SDH的AON和基于PDH的AON，無源光網絡可分為窄帶PON和寬帶PON。由于光纖接入網使用的傳輸媒介是光纖，因此根據光纖深入用戶群的程度，可將光纖接入網分為：（1）FTTC（光纖到路邊）；（2）FTTZ（光纖到小區(qū)）；（3）FTTB（光纖到大樓）；（3）FTTO（光纖到辦公室）；（4）FTTH（光纖到戶）8.2.3無線寬帶接入技術總體來講無線寬帶接入技術主要有兩個技術體系：一個是移動蜂窩寬帶接入技術，以3G、HSDPA、HSUPA、LTE、AIE、4G等為代表；另一個是寬帶無線接入技術，以MMDS、WiFi、WiBro、WiMAX、MCWill等技術為代表。（1）移動蜂窩寬帶接入技術移動數據業(yè)務基本是一個專網，下載速率在100kbit/s以下。智能手機可以接入互聯網，但是性能不理想，暫時沒有形成主流應用。主要原因在于3G系統(tǒng)在支持IP數據業(yè)務時頻譜效率低，根本原因是3G系統(tǒng)面向連接固定帶寬的結構不適應突發(fā)式IP數據業(yè)務的需求。（2）寬帶無線接入技術寬帶無線接入（BroadbandWirelessACCess，BWA）技術目前還沒有通用的定義，一般是指把高效率的無線技術應用于寬帶接入網絡中，以無線方式向用戶提供寬帶接入的技術。

8.3DNS服務8.3.1DNS結構為了便于計算機處理，IP地址以二進制表示，雖然可以用點分十進制表示IP地址，但是這種地址對人來說并不適合記憶，為此需要引入一種適合人類記憶和使用的通用地址，這就是域名。域名和IP地址一樣，也應該是Internet上的唯一標識，它由用“.”隔開的段組成，每段都有一定的含義，這樣用戶就可以很方便地記憶和理解域名。比如，www指這個域名是www服務器，edu是教育網的名字，cn指中國，所以這個域名指的是中國教育科研網。8.3.1DNS結構Internet域名結構8.3.1DNS結構Internet頂級域名頂級域名分配對象頂級域名分配對象cn中國us美國uk英國com商業(yè)組織net網絡支持中心org非盈利性組織int國際組織edu美國教育機構gov美國政府部門mil美國軍事部門8.3.2域名服務器DNS域名服務器從層次結構上分為根域名服務器、頂級域名服務器、權限域名服務器和本地域名服務器。（1）根域名服務器：在因特網上共有13個不同IP地址的根域名服務器。（2）頂級域名服務器：負責cn、com、gov和edu等頂級域名的管理。（3）授權域名服務器：當有新的網絡系統(tǒng)建立時，主機域名必須在授權域名服務器處登記注冊。（4）本地域名服務器：一個單位、企業(yè)和組織的網絡都可以配置本地域名服務器。8.3.3域名解析過程DNS解析器會根據用戶提供的目標計算機的域名，從右至左依次查詢相關的DNS域名服務器。整個查詢分為兩類：遞歸查詢和迭代查詢。（1）遞歸查詢：主機向本地域名服務器的查詢一般都是采用遞歸查詢，如果主機所詢問的本地域名服務器不知道被查詢的域名的IP地址，那么本地域名服務器就以DNS客戶機的身份，向根域名服務器繼續(xù)發(fā)出查詢請求，替主機繼續(xù)查詢，直至找到答案或返回錯誤信息。（2）迭代查詢：一般DNS服務器之間的查詢請求屬于迭代查詢，當根域名服務器收到本地域名服務器發(fā)出的查詢請求時，要么給出所要查詢的IP地址，要么告訴本地服務器下一步應當向哪一個域名服務器進行查詢。然后讓本地服務器進行后續(xù)的查詢。8.3.3域名解析過程域名解析過程

8.4WWW服務8.4.1WWW的工作模式WWW采用客戶機/服務器架構。在客戶端，用戶可以通過一個被稱為瀏覽器（browser）的交互式程序來查找信息。在WWW服務器端，則是一個支持交互式訪問的分布式超媒體系統(tǒng)。當客戶端的WWW瀏覽器在其地址欄里輸入一個URL或單擊Web頁上的一個超鏈接時，Web瀏覽器就要檢查相應的協(xié)議以決定是否需要重新打開一個應用程序，同時對域名進行解析以獲得相應的IP地址。然后，以該IP地址并根據相應的應用層協(xié)議所對應的TCP端口與服務器建立通信連接，在服務器端，HTTP的默認TCP端口為80。8.4.2與WWW服務相關的術語1．超鏈接超鏈接是Web頁上的一個對象，其可以是字、短語或圖標，單擊該對象可以引導用戶到達一個新的Web頁。2．URLURL（UniformResourceLocator，統(tǒng)一資源定位符）用于在因特網上進行資源的定位。3．HTTP和HTTPSHTTP協(xié)議（HyperTextTransferProtocol，超文本傳輸協(xié)議）是因特網上應用最為廣泛的一種網絡傳輸協(xié)議，所有的WWW文件都必須遵守這個標準。HTTPS協(xié)議是由SSL+HTTP協(xié)議構建的可進行加密傳輸、身份認證的網絡協(xié)議。

8.5FTP服務8.5.1FTP協(xié)議介紹FTP是Internet上廣泛使用的文件傳送協(xié)議，用于在遠端服務器和本地主機之間傳輸文件，并且能保證傳輸的可靠性。FTP能夠提供交互式的文件訪問，支持對登錄服務器的用戶名和口令進行驗證，允許客戶指明文件的類型，可以設置文件的存取權限（文件的上傳和下載）等。FTP采用客戶-服務器模式，使用TCP提供可靠的傳輸服務。一個FTP服務器進程可以同時為多個客戶進程提供服務，FTP服務器進程由一個守護進程和多個從屬進程組成，守護進程負責接受新的請求，從屬進程負責處理單個請求。8.5.1FTP協(xié)議介紹通過FTP進行文件傳輸時，需要在客戶端和服務器之間建立兩個TCP連接：TCP控制連接和TCP數據連接。FTP控制連接主要用來傳輸客戶端和服務器之間的FTP命令以及命令的響應，控制連接在整個會話期間一直保持打開。FTP數據連接用來傳輸文件數據。服務器的控制進程在接收到FTP客戶端發(fā)送來的文件傳輸請求后，就創(chuàng)建數據連接，在傳送完畢后關閉數據連接并結束運行。FTP工作的基本原理8.5.2FTP的文件傳輸模式FTP的文件傳輸模式主要有兩種：ASCII傳輸模式和二進制數據傳輸模式。ASCII傳輸模式是默認的文件傳輸模式，主要特點是：（1）本地文件轉換成標準的ASCII再傳輸；（2）適用于傳輸文本文件。二進制數據傳輸模式也稱為圖像文件傳輸模式，主要特點是：（1）文件按照比特流的方式進行傳輸；（2）適用于傳送程序文件。8.5.3FTP的數據傳輸模式在FTP的數據連接過程中有兩種數據傳輸模式：主動模式（ActiveMode也稱PORT模式）和被動模式（PassiveMode也稱PASV模式）。1.主動模式首先由客戶端發(fā)起FTP請求，與FTP服務器建立TCP控制連接。當需要傳輸文件時，客戶端通過控制連接向FTP服務器發(fā)送PROT命令，PROT命令攜帶的參數包含客戶端的IP地址和用于傳輸數據的臨時端口號。FTP服務器主動發(fā)起TCP數據連接請求，經過三次握手，使用TCP端口20與客戶端提供的臨時端口建立數據傳輸通道，完成數據傳輸。當客戶端在防火墻內部訪問防火墻之外的FTP服務器時，主動模式可能會遇到問題，因為防火墻并不知道客戶端提供的臨時端口。安全起見，防火墻會阻止外部主機對內部隨機端口的訪問。8.5.3FTP的數據傳輸模式2.被動模式首先也是建立控制連接，其方式和主動模式一樣。當需要傳輸文件時，客戶端通過控制連接向FTP服務器發(fā)送PASV命令，告訴FTP服務器進入被動模式，FTP服務器通過控制連接進行應答，應答報文包含FTP服務器的IP地址和一個臨時端口信息。客戶端隨機選擇一個臨時端口作為源端口，主動向FTP服務器發(fā)起TCP數據連接請求，經過三次握手，建立數據連接。在被動模式下，控制連接和數據連接都由客戶端發(fā)起，不存在主動模式下防火墻阻止外部發(fā)起的連接的問題。

8.6電子郵件服務8.6.1電子郵件的概念郵件服務器的功能是發(fā)送和接收郵件，同時還要向發(fā)信人報告郵件傳送的情況（已交付、被拒絕、丟失等）。郵件服務器按照客戶/服務器方式工作。郵件服務器需要使用兩個不同的協(xié)議。SMTP協(xié)議用于發(fā)送郵件。郵局協(xié)議POP用于接收郵件。8.6.2電子郵件的發(fā)送和接收過程電子郵件的傳輸過程8.6.3SMTP簡單郵件傳輸協(xié)議（SimpleMailTransferProtocol，SMTP）SMTP是一種提供可靠且有效電子郵件傳輸的協(xié)議。主要用于傳輸系統(tǒng)之間的郵件信息并提供來信有關的通知。SMTP協(xié)議運行在TCP協(xié)議之上，使用公開端口號25;SMTP使用簡單的命令傳輸郵件;SMTP使用客戶/服務器工作模式，發(fā)送郵件的SMTP進程是SMTP客戶，接收郵件的SMTP進程是SMTP服務器。8.6.4POP3和IMAP當用戶要從郵件服務器中讀取郵件時，可以使用POP3（PostOfficeProtocol3，郵局協(xié)議）或IMAP（InternetMessageAccessProtocol，因特網郵件訪問協(xié)議），它取決于郵件服務器支持的協(xié)議類型。1．POP3郵局讀取協(xié)議POP3是一個簡單的郵件讀取協(xié)議，POP3運行在TCP之上，端口號是110，使用客戶-服務器模式。接收郵件的用戶主機運行POP3客戶程序，使用TCP連接到POP3服務器，再進行用戶認證、郵件列表查詢、郵件下載等操作，操作完成之后，客戶端與服務器再斷開TCP連接。8.6.4POP3和IMAP2．IMAPIMAP與POP3都采用客戶-服務器模式工作，但它們有很大的差別。對于POP3，POP3服務器是具有存儲轉發(fā)功能的中間服務器。在郵件交付給用戶之后，POP3服務器就不再保存這些郵件。當用戶計算機上的IMAP客戶程序打開IMAP服務器的郵箱時，用戶就可以看到郵件的首部。如果用戶需要打開某個郵件，則可以將該郵件傳送到用戶的計算機上。在用戶未發(fā)出刪除郵件的命令前，IMAP服務器郵箱中的郵件會一直保存。

8.7P2P技術及應用8.7.1P2P技術介紹P2P（Peer-to-Peer，對等網絡），是運行在Internet之上的分布式網絡，是面向業(yè)務的網絡。在P2P中，所有計算機都處于對等地位，每臺計算機既能充當客戶端，又能作為服務器向其他計算機提供資源與服務，每個節(jié)點既是資源的生產者，也是資源的消費者。在P2P中每個節(jié)點所擁有的權利和義務都是對等的。P2P是一種分布式的動態(tài)網絡，節(jié)點可以動態(tài)地加入或退出網絡，整個網絡的拓撲結構始終處于動態(tài)變化之中。根據拓撲結構的關系可將P2P分為4種形式：集中式P2P、全分布式結構化P2P、全分布式非結構化P2P和混合式P2P。8.7.1P2P技術介紹1.集中式P2P集中式P2P由一個目錄服務器和若干個對等節(jié)點組成，目錄服務器用來管理和組織對等節(jié)點信息，包括用戶上傳的文件索引和存放位置的信息，以及擁有此文件節(jié)點自身的信息。當用戶需要某個文件時，首先連接目錄服務器，目錄服務器隨后進行檢索并返回該文件的用戶信息。最后由請求者連接文件所有者的節(jié)點主機，與此節(jié)點主機建立連接傳輸文件，典型的應用是Napster。集中式P2P的優(yōu)點是維護簡單、資源發(fā)現效率高，但是目錄服務器的癱瘓容易導致整個網絡的崩潰，可靠性和安全性較低。8.7.1P2P技術介紹2.全分布式結構化P2P全分布式結構化P2P采用分布式哈希表（DistributedHashTable，DHT）技術來組織網絡中的節(jié)點。DHT將關鍵值（Key）的集合分散到P2P的節(jié)點上，網絡中的節(jié)點共同形成并維護一個巨大的哈希表，每個節(jié)點被分配一個屬于自己的哈希塊，并管理該哈希塊，典型的應用有Pastry、Tapestry、Chord和CAN等。DHT結構有著良好的擴展性、健壯性和自組織能力。由于采用了確定性拓撲結構，因此這種P2P能支持精確關鍵詞匹配查詢，但是維護機制較復雜，不能支持內容和語義等復雜查詢。8.7.1P2P技術介紹3.全分布式非結構化P2P全分布式非結構化P2P采用完全隨機圖的組織方式，節(jié)點度數服從冪次法則，典型的應用是Gnutella。全分布式非結構化P2P的擴展性和容錯性較好，支持復雜查詢，但是它采用應用層的廣播協(xié)議，消息量過大，網絡負擔過重。4.混合式P2P混合式P2P也稱為半分布