网络原理课程的所有.ppt

第九章网络应用 主要内容 9 1应用层概述9 2客户 服务器模型9 3域名服务9 4简单网络管理协议SNMP 重点 9 5网络安全9 6电子邮件 协议细节实现 9 7WWW 几种连接 9 8文件传输协议FTP 9 1应用层概述 1 应用程序 互相通信的分布的进程在网络主机上的用户空间运行互相交换消息比如email ftp和web应用层协议应用程序的一部分定义应用程序直接交换的信息以及相应的动作利用底层协议提供的服务 9 1应用层概述 2 应用层术语一个进程是运行于主机上的一个程序 在同一主机上的进程利用操作系统提供的IPC interprocesscommunication 进行通信 在不同主机上运行的进程利用应用层协议进行通信用户代理 useragent 是指用户和网络应用程序间的接口 比如web浏览器 流媒体播放器等 9 1应用层概述 3 应用程序编程接口API applicationprogramminginterface 定义应用程序和传输层之间的接口socket InternetAPI两个进程通过向socket写数据和读数据来通信Q 进程如何指明它要与之通信的另一个进程IP地址指明该进程所在的主机端口号指明该主机应该把收到的数据交给哪个当地进程 9 1应用层概述 4 应用程序需要什么样的传输服务数据丢失有的应用程序 比如音频 可以容忍一定程度的数据丢失有的应用程序 如文件传输 要求100 的可靠传输带宽有的程序 如多媒体 需要一定的带宽才能工作有的程序则使用它所能得到的全部带宽延迟有的程序要求低延迟 比如IP电话和交互游戏 应用程序所需的传输服务 应用filetransfere mailWebdocumentsreal timeaudio videostoredaudio videointeractivegamesfinancialapps 数据丢失nolossnolossnolossloss tolerantloss tolerantloss tolerantnoloss 带宽elasticelasticelasticaudio 5Kb 1Mbvideo 10Kb 5MbsameasabovefewKbpsupelastic 时间敏感nononoyes 100 smsecyes fewsecsyes 100 smsecyesandno Internet传输协议提供的服务 TCP服务 面向连接 用户端和服务器需要建立连接接收和发送进程间的可靠传输流量控制 发送方不会淹没接收方拥塞控制 网络负载过高时限制发送方发送不提供 延迟保证 最小带宽保证 UDP服务 接收和发送进程间的不可靠传输不提供 连接建立 可靠性 流量控制 拥塞控制和带宽保证 Internet应用和使用的相应协议 应用e mailremoteterminalaccessWebfiletransferstreamingmultimediaremotefileserverInternettelephony 应用层协议smtp RFC821 telnet RFC854 http RFC2068 ftp RFC959 proprietary e g RealNetworks NSFproprietary e g Vocaltec 底层传输层协议TCPTCPTCPTCPTCPorUDPTCPorUDPtypicallyUDP 9 2客户 服务器模型 1 基本概念客户 服务器模型是所有网络应用的基础 客户 服务器分别指参与一次通信的两个应用实体 客户方主动地发起通信请求 服务器方被动地等待通信的建立 9 2客户 服务器模型 2 客户软件任何一个应用程序当需要进行远程访问时成为客户 这个应用程序也要完成一些本地的计算 一般运行于用户的个人计算机上 向服务器主动发起通信请求 可以访问多个服务器 但一次只能访问一个 不需要特殊的硬件和复杂的操作系统 服务器软件是专用的提供某种服务的特权程序 可以同时处理多个远程客户 一般在系统启动时被执行 并连续运行以处理多次会话 被动的等待远程客户发起通信 需要特殊的硬件和复杂的操作系统 9 2客户 服务器模型 3 数据在客户和服务器之间是双向流动的 一般是客户发出请求 服务器给出响应 服务器软件的并发性由于服务器软件要支持多个客户的同时访问 它必须具备并发性 服务器软件为每个新到的客户创建一个进程或线程来处理和这个客户的通信 服务器方传送层实体使用客户的源端口号和服务的端口号来确定正确的服务器软件进程 线程 服务器软件的组成服务器软件一般分为两部分 一部分用于接受请求并创建新的进程或线程 另一部分用于处理实际的通信过程 9 2客户 服务器模型 4 客户 服务器之间使用的传送层协议可以是基于连接的TCP协议 要求建立和释放连接 适用于可靠的交互过程 也可以是无连接的UDP协议 适用于可靠性要求不高的或实时的交互过程 同时使用TCP和UDP的服务 有两种服务器软件的实现或服务器软件同时和TCP UDP协议交互 不对客户做限制 9 2客户 服务器模型 5 客户和服务器的交互支持协议 在INTERNET中 客户和服务器的交互通过使用TCP IP协议栈来完成 因此 客户和服务器所在的机器要求支持完全的协议栈 客户 服务器通过套接字访问传送层服务多种服务 一台计算机上可以运行多个服务器软件 但是要求计算机有强大的硬件资源 服务器级别的计算机 和多任务操作系统 UNIX和WIN95 98 2000 NT 服务的标识 客户是通过服务的标识来访问某种服务的 比如在INTERNET中 服务是用端口号来标识 UNIX在 etc services文件中定义 服务器软件启动时将其标识通知传送层实体 9 3域名服务 1 产生原因32比特的IP地址难于记忆 应该使用符号地址 但是网络本身是使用IP地址的 因此需要一个完成二者之间相互转换的机制 比如用表示166 111 69 241 当网络规模比较小时 例如ARPANET 每台主机只需查找一个文件 UNIX的host 该文件中列出了主机与IP地址的对应关系 当网络规模很大时 上述方法就不适用了 因此产生了域名系统DNS DomainNameSystem 9 3域名服务 2 DNS概述域名系统是一个典型的客户 服务器交互系统 域名系统是一个多层次的 基于域的命名系统 并使用分布式数据库实现这种命名机制 当应用程序需要进行域名解析时 从符号名到IP地址 它成为域名系统的一个客户 它向本地域名服务器发出请求 调用resolver 请求以UDP包格式发出 域名服务器找到对应的IP地址后 给出响应 当本地域名服务器无法完成域名解析 它临时变成其上级域名服务器的客户 递归解析 直到该域名解析完成 RFC1034 1035 9 3域名服务 3 域名的结构INTERNET的顶级域名分为组织结构和地理结构两种 每个域对它下面的子域和机器进行管理 DNS中 每台计算机的名字是由 所分开的字符 数字串所组成的 例如域名是大小写无关的 edu 和 EDU 相同 域名最长255个字符 每部分最长63个字符 9 3域名服务 4 资源记录在DNS的数据库中用资源记录来表示主机和子域的信息 当应用程序进行域名解析时 得到的便是域名所对应的资源记录 资源记录是一个五元式Domain nameTime to liveTypeClassValue 9 3域名服务 5 域名服务器区域划分DNS将域名空间划分为许多无重叠的区域 zone 每个区域覆盖了域名空间的一部分并设有域名服务器对这个区域的域名进行管理 每个区域有一个主域名服务器和若干个备份域名服务器 区域的边界划分是人工设置的 比如 是三个不同的区域 分别有各自的域名服务器 9 3域名服务 6 域名解析一个区域内机器上的应用程序进行域名解析时 首先向该区域的域名服务器发出解析请求 若查找到 则返回域名对应的资源记录 若找不到 该域名服务器向所查找域名的顶级域的域名服务器发出解析请求 顶级域的域名服务器通过向下的层次查询得到对应的资源记录 返回给该域名服务器 最后资源记录被返回给发起域名解析的机器 并在该区域的域名服务器中做缓存 超时后删除 SimpleDNSexample 主机surf eurecom fr需要gaia cs umass edu的IP地址1 与本地DNS服务器dns eurecom fr联系2 如有必要dns eurecom fr与根域名服务器联系3 如有必要 根域名服务器联系authoritative域名服务器dns umass edu requestinghostsurf eurecom fr gaia cs umass edu rootnameserver authoritativenameserverdns umass edu 1 2 3 4 5 6 DNSexample 根域名服务器 可能不知道authoritative域名服务器可能知道中间的域名服务器 中间域名服务器知道如何与authoritative域名服务器联系 requestinghostsurf eurecom fr gaia cs umass edu rootnameserver 1 2 3 4 5 6 authoritativenameserverdns cs umass edu 7 8 DNS iteratedqueries recursivequery putsburdenofnameresolutiononcontactednameserverheavyload iteratedquery contactedserverreplieswithnameofservertocontact Idon tknowthisname butaskthisserver requestinghostsurf eurecom fr gaia cs umass edu rootnameserver 1 2 3 4 5 6 authoritativenameserverdns cs umass edu 7 8 iteratedquery 9 4简单网络管理协议SNMP 1 SNMP SimpleNetworkManagementProtocol 的产生早期网络 如ARPANET 规模很小 可以通过执行 PING 命令来发现网络故障 网络规模变大 需要一个好的工具来管理网络 1990年发布RFC1157 定义了SNMPv1 SNMPv2 RFC1441 1452 网络管理的五个基本管理功能 性能管理 故障管理 配置管理 记帐管理和安全管理 SNMP是基于UDP的 9 4简单网络管理协议SNMP 2 SNMP模型被管理节点运行SNMP代理程序 SNMPagent 维护一个本地数据库 描述节点的状态和历史 并影响节点的运行 管理工作站运行专门的网络管理软件 manager 使用管理协议与被管理节点上的SNMP代理通信 维护管理信息库 9 4简单网络管理协议SNMP 3 管理信息每个站点使用一个或多个变量描述自己的状态 这些变量称为 对象 objects 所有的对象组成管理信息库MIB ManagementInformationBase 管理协议 SNMP 管理协议用于管理工作站查询和修改被管理节点的状态 被管理节点可以使用管理协议向管理站点产生 陷阱 trap 报告 9 4简单网络管理协议SNMP 4 抽象语法表示法1 ASN 1 定义 抽象语法表示法1是一种标准的对象定义语言 它分为数据描述定义 ISO8824 和传输语法定义 ISO8825 两部分 ASN 1可以作为异种计算机设备之间 对象 的描述和传输机制 ASN 1的基本数据类型 9 4简单网络管理协议SNMP 5 对象命名树对象命名树使用编码 唯一的确定每个标准中的对象 基于对象命名树 任何标准中的任意对象都可以用如下的对象表示符表示 iso 1 identified organizations 3 dod 6 internet 1 mgmt 2 mib 2 1 tcp 6 或者是 1361216 9 4简单网络管理协议SNMP 6 ASN 1定义了5种方法构造新的类型SEQUENCE 多种类型的有序序列 SEQUENCEOF 一种类型的一维有序序列 SET 多种类型的无序集合 SETOF 一种类型的无序集合 CHOICE 创建一些类型的共同体 UNION 构造新类型的另一种方法是重新标记一个老的类型类似C语言中定义新的类型 define 标签有四类 universal application wide context specific private例如 Counter32 APPLICATION1 INTEGER 0 4294967295 9 4简单网络管理协议SNMP 7 ASN 1的传输语法基本编码规则BER BasicEncodingRules 定义了如何将ASN 1类型的值表示为无二义的字节序列需要传输的内容标志符 typeortag 数据长度域数据域 9 4简单网络管理协议SNMP 8 标志符 typeortag 包括三个子域当tag值在0 30之间时 用低5位表示 当tag值大于30时 低5位为 11111 用后面字节表示 每个标识字节包括7个数据位 最后一个字节高位为 1 其它字节高位为 0 9 4简单网络管理协议SNMP 9 数据域长度当长度 128字节时 用一个字节表示长度 高位为 0 当长度 128字节时 第一个字节高位为 1 低7位表示后面表示长度的字节个数 后面的若干个 127 字节表示长度例 数据长度1000字节 则长度域包括3个字节 第一个字节为 10000010 后两个字节为 00000011 和 11101000 9 4简单网络管理协议SNMP 10 数据域INTEGER 二进制编码 BITSTRING 编码表示不变 长度域表示字节个数 并在传位串前先传一个字节表示位串最后一个字节不用的位数 例 位串 010011111 传输时变为 074f80 十六进制 OCTETSTRING 编码表示不变 NULL 长度域为0 不传数据 OBJECTIDENTIFIER 按照命名树的编码整数序列编码 前两个数a b可用一个字节编码 值为40a b如果数据长度未知 需要有结束标志 9 4简单网络管理协议SNMP 11 管理信息结构SMI和管理信息库MIB定义SNMP在ASN 1的基础上 定义了四个宏 八个新数据类型来定义SNMP的数据结构 被称为管理信息结构SMI SNMP使用SMI首先将变量定义为 对象 object 相关的对象被集合成 组 group 组最后被汇集成 模块 module 管理信息库SNMP的MIB包含10个组 网络管理工作站通过使用SNMP协议 向被管理节点中的SNMP代理发出请求 查询这些对象的值 9 4简单网络管理协议SNMP 12 每个对象有以下四个属性 对象类型 objecttype 定义了对象的名字语法 syntax 指定了数据类型 存取 access 表示了对象的存取级别 合法的值有只读 只写 读写和不可存取状态 status 定义了对象的实现需要 必备的 被管理结点必须实现该对象可选的 被管理结点可能实现该对象已经废弃的 被管理结点不需要实现该对象 9 4简单网络管理协议SNMP 13 SNMP协议定义了网络管理工作站和SNMP代理之间的通信过程和协议数据单元 网络管理工作站发往SNMP代理的数据请求Get request Get next request Get bulk request网络管理工作站发往SNMP代理的数据更新请求Set request网络管理工作站与网络管理工作站之间的MIB交换Inform requestSNMP代理发往网络管理工作站的陷阱报告SnmpV2 trap 9 5网络安全 1 自学要求掌握一下知识点网络安全问题加密身份验证数字签名完整性控制加密模型明文P 密钥K 密文C加密过程 C Ek P 解密过程 P Dk C 9 5网络安全 2 加密方法加密由两类基本方法 替换加密法和换位加密法加密算法的标准基于密钥算法的加密标准 DES 使用56位的密钥 目前被广泛地使用 基于公钥算法的加密标准 RSA 每个人有一个公钥Ek和一个密钥Dk 只能用密钥Dk解开用公钥Ek加密的报文 9 6电子邮件 1 相关协议标准1982年ARPANET提出了RFC821 传输协议 RFC822 消息格式 作为电子邮件协议 1984年CCITT提出了X 400建议 但是没有得到普及体系结构用户代理 允许用户阅读和发送电子邮件 一般为用户进程 消息传输代理 将消息从源端发送至目的端 一般为系统的后台进程 简单邮件传输协议SMTP SimpleMailTransferProtocol 9 6电子邮件 2 电子邮件系统提供的五大基本功能成文 指创建消息或回答消息的过程 传输 指将消息从发送者传出至接收者 报告 将消息的发送情况报告给消息发送者 显示 使用相应的工具软件将收到的消息显示给接收者处理 接收者对接收到的消息进行处理 存储 丢弃 转发等等 其它高级功能自动转发 自动回复 mailbox 创建邮箱存储邮件 mailinglist 抄送 cc 高优先级 加密 9 6电子邮件 3 电子邮件的组成信封 接收方的信息 如名字 地址 邮件的优先级和安全级别 信件内容 由信头和信体组成 信头包含了用户代理所需的控制信息 信体是真正的内容 用户代理发送电子邮件email地址 例如 webmaster mailinglist 例如 students X 400地址 例如 C US SP MASSACHUSETTS L CAMBRIDGE PA 360MEMORIALDR CN KENSMITH 9 6电子邮件 4 阅读电子邮件用户代理在启动时检查用户的mailbox 通知用户是否有新邮件到来 并摘要性的显示邮件的主题 发送者及其邮件的状态 信件格式RFC822信件包括信封 若干信头域 一个空行和信体电子邮件的扩展MIME MultipurposeInternetMailExtensions 增加了对图像 声音 视频 可执行文件等的支持 使用不同的编码方法将信息转化为ASCII字符流 9 6电子邮件 5 消息传送协议INTERNET使用简单邮件传输协议SMTP完成电子邮件的交换 SMTP POP3orIMAP receiver smailserver 9 6电子邮件 6 过程如下消息传输代理在源端主机和目的主机的25号端口之间建立一条TCP连接 使用简单邮件传输协议SMTP协议进行通信 在TCP连接建立好之后 作为客户的邮件发送方等待作为服务器的邮件接收方首先传输信息服务器首先发出准备接收的SMTP消息 客户向服务器发出HELO消息 服务器回答以HELO消息 双方进入邮件传输状态 9 6电子邮件 7 邮件传输过程 客户首先发出邮件的发信人地址 MAILFROM 然后发出收信人的地址 RCPTTO 服务器确认收信人存在后 发出可以继续发送的指示 客户发送真正的消息 DATA 以 作为结束 当客户方邮件发送完之后 服务器开始发送邮件至客户 过程同上 两个方向的发送完成之后 释放TCP连接 QUIT Persistent方式 9 6电子邮件 8 注意消息以7 比特ASCII码为单位某些特殊字符串 如CRLF CRLF 不允许在消息中出现 需要编码 例如 base64 其它协议POP3 PostOfficeProtocol RFC1939 用户代理和邮箱不在同一机器上 用户代理使用此协议将邮箱中的信件取回本地 IMAP InternetMailAccessProtocol RFC1730 收信人使用多个用户代理访问同一邮箱 邮件始终保持在邮箱中 加密电子邮件协议 PGP与PEM协议 9 6电子邮件 9 trysmtpinteractionforyourselftelnetservername25see220replyfromserverenterHELO MAILFROM RCPTTO DATA QUITcommandsaboveletsyousendemailwithoutusingemailclient reader 9 6电子邮件 10 Smtp交互实例S 220hamburger eduC HELOcrepes frS 250Hellocrepes fr pleasedtomeetyouC MAILFROM S 250alice crepes fr SenderokC RCPTTO S 250bob hamburger edu RecipientokC DATAS 354Entermail endwith onalinebyitselfC Doyoulikeketchup C Howaboutpickles C S 250MessageacceptedfordeliveryC QUITS 221hamburger educlosingconnection X 400MHSFunctionModelUA UserAgentMTA MessageTransferAgentMS MessageStoreAU AccessUnitPDAU PhysicalDeliveryAccessUnit 9 7WWW 1 WWW WorldWideWeb 是用于访问遍布于INTERNET上的相互链接在一起的超文本的一种结构框架 历史1989年 设计WWW的思想产生于欧洲核研究中心CERN 1991年 第一个原型在美国的Hypertext 91会议上展示 1993年 第一个图形化浏览器 Mosaic 1994年 Andreessen创建NETSCAPE公司 开发WEB的客户和服务器软件 同年 CERN和MIT共同创建WWW论坛 制定相关的协议标准 http www w3 org 9 7WWW 2 术语网页 由 object 组成用URL标示地址大部分网页包括 基本的HTML页面和一些引用的object用户用来访问网页的工具 useragent 被称为浏览器 browser MSInternetExplorerNetscapeNavigatorWeb服务器 PCrunningExplorer ServerrunningNCSAWebserver MacrunningNavigator httprequest httprequest httpresponse httpresponse 9 7WWW 3 用户眼中的WEBWEB是由互相链接在一起的网页构成的 这些网页是由普通文本 超文本Hypertext 以及图表 照片等构成 用户通过称为浏览器的软件来观看网页 浏览器取回所请求的网页 解释其中所含的文本和格式命令 并正确的显示出来 网页中的文本串若指向其它的网页 此指针称为超级链接Hyperlink 此文本串称为超文本 会被特别地显示出来 加下划线 用户若选择此超级链接 浏览器会将此超级链接所指的网页取回 当超文本网页中包含声音 动画等其它媒体时 网页被称为是超媒体的 浏览器一般通过外挂的帮助程序来显示这些超媒体信息 9 7WWW 4 WEB的客户 服务器模型在每个WEB服务器上有一个服务进程在TCP的80端口上监听由浏览器发来的建立连接请求 在连接建立之后 浏览器和服务器之间使用超文本传输协议HTTP协议进行信息传输超级链接是使用URL 统一资源定位符 来找到目标网页的 URL由三部分组成 协议类型 HTTP FTP TELNET等 网页所在机器的地址 域名或IP地址 包含网页的文件名称 浏览器确定URL 通过DNS解析IP地址 建立TCP连接 向服务器发出HTTP的GET请求取回网页 释放连接 并显示网页中所有的文本 然后 浏览器逐一取回网页中的图象 9 7WWW 5 超文本传输协议HTTPHTTP协议由一套从浏览器发往服务器的请求和一套从服务器发往浏览器的响应组成 请求分为两类简单请求 GET网页文件名 服务器回答以网页内容 完全请求 GET网页文件名 协议版本号 服务器回答以使用MIME格式编码的网页内容 http1 0 RFC1945 http1 1 RFC2068 9 7WWW 6 超文本标记语言HTMLHTML使用一套标记符号来实现对文本的格式化 HTML2 0引入了对表格的支持 允许用户填充信息并将其送回服务器 服务器方使用一个CGI程序进行处理 httpexample SupposeuserentersURLwww someSchool edu someDepartment home index 1a httpclientinitiatesTCPconnectiontohttpserver process atwww someSchool edu Port80isdefaultforhttpserver 2 httpclientsendshttprequestmessage containingURL intoTCPconnectionsocket 1b httpserverathostwww someSchool eduwaitingforTCPconnectionatport80 accepts connection notifyingclient 3 httpserverreceivesrequestmessage formsresponsemessagecontainingrequestedobject someDepartment home index sendsmessageintosocket time containstext referencesto10jpegimages httpexample cont 5 httpclientreceivesresponsemessagecontaininghtmlfile displayshtml Parsinghtmlfile finds10referencedjpegobjects 6 Steps1 5repeatedforeachof10jpegobjects 4 httpserverclosesTCPconnection time 非持久连接和持久连接 非持久连接 Non persistent HTTP 1 0服务器解析请求 发出响应报文后关闭连接每个object的取得都需要两个RTT每个object的传输都要经历慢启动 持久连接 Persistent defaultforHTTP 1 1在同一个TCP连接上 服务器解析请求并响应 再解析新的请求 客户端一旦得到基本的HTML文件就发出请求索取全部object较少的RTT和慢启动时间 Butmost1 0browsersuseparallelTCPconnections Tryingouthttp clientside foryourself 1 TelnettoyourfavoriteWebserver OpensTCPconnectiontoport80 defaulthttpserverport atwww eurecom fr Anythingtypedinsenttoport80atwww eurecom fr telnetwww eurecom fr80 2 TypeinaGEThttprequest GET ross index htmlHTTP 1 0 Bytypingthisin hitcarriagereturntwice yousendthisminimal butcomplete GETrequesttohttpserver 3 Lookatresponsemessagesentbyhttpserver 9 7WWW 7 JAVA产生的原因HTML只能处理包含文本 表格和图象的静态页面 以及浏览器和服务器之间使用CGI的有限交互 利用JAVA设计交互式的主页 工作过程网页可以指向一个JAVA的applet 小应用程序 当浏览器请求时 applet会被下载至浏览器 并被浏览器中所包含的JAVA解释器执行 JAVA系统包含三个部分JAVA到字节代码的编译器支持applet的浏览器字节代码的解释器 WebCaches proxyserver 用户设置浏览器通过Web缓存来访问Web浏览器将所有http请求发给Web缓存如果所请求object在缓存中 该object被立即通过http回答返回否则Web缓存向原服务器发请求获得该object 再响应浏览器的请求 目标 不访问原服务器而满足用户的请求 client Proxyserver client httprequest httprequest httpresponse httpresponse httprequest httpresponse httprequest httpresponse originserver originserver 为什么需要Web缓存 假定 缓存离用户端近 比如在同一网络较小的响应时间减轻通往远端服务器的连接的流量 originservers publicInternet institutionalnetwork 10MbpsLAN 1 5Mbpsaccesslink institutionalcache 9 8文件传输协议FTP 1 在两个主机之间传输文件客户 服务器模式 由客户端发起文件传输 上传或下载 ftp RFC959ftpserver port21 filetransfer localfilesystem remotefilesystem userathost 9 8文件传输协议FTP 2 客户端连接到ftp服务器TCP的21号端口建立两个并行的TCP连接 控制 在客户端和服务器之间交换命令 响应数据 传递文件数据Ftp服务器维护状态 当前目录 身份认证 FTP模型 Server Protocol Interpreter Serverdata transfer process User Protocol Interpreter Userdata transfer process User Interface FTPCommands Data Connection User File System File System FTPReplies FromRFC959 注意 1 数据连接可以双向使用 2 数据连接不必始终存在 3 控制连接采用的是telnet