第七章 应用层-Application Layer

7.1 应用层简介

之前的几篇中，我们描述了计算机网络是如何在链路上传递可靠的消息，并把分布于世界各地的不同链路组合起来，形成了一个巨大的网络结构，上一篇请看这里。现在终于到了计算机网络体系结构的最后一层，虽然对于应付考试来讲这一章会轻松一点，但应用层仍然是非常重要的。因为在众多的互联网层次架构中，应用层是最接近实际代码编写的一个层次。本章内容主要涵盖了几个应用层的经典应用，如万维网、电子邮件、DNS及内容分发网络。

在学习这一章内容时，要注意几个主要的应用是通过何种传输层协议实现的（TCP/UDP）

7.2 DNS域名解析系统-Domain Name System

7.2.1 简介

点分十进制的ip地址对于人类来说仍旧难以记忆，人们又创建了一套新的网络地址命名规则，称为域名系统。与点分十进制不同，域名系统由数字和字母组成，且不区分大小写。这样的灵活度使得域名系统可以产生实际的含义，更便于记忆（例如，.cn=china；.edu=education）。DNS就是帮助实现了这种映射关系。

尽管应用层本身不是重点，但是DNS确实是一个频繁考。读者应该重点掌握两种查询方式和DNS实现的原理（到底使用了TCP还是UDP）。

• 本质：发明了一种层次的、基于域的命名方案

• 使用分布式数据库系统实现

• 用途：把主机名字映射成ip地址

• 过程：1，解析器向本地DNS服务器发送包含待查找名字的UDP数据包，收到包含IP地址的UDP数据包作为回应；2主机选择建立TCP连接，或者发送UDP消息。

7.2.2域名资源记录

每个域都有一组与之相关的资源记录，这些记录组成了DNS数据库。对于一台主机来说，最常见的记录就是其IP地址。

7.2.3 域名服务器-递归查询&迭代查询

下面这张图描述了DNS的一次查询过程，可以分为递归查询和迭代查询两部分。

首先是递归查询：主机将查询发送给本地域名服务器，等待返回一个完整的ip地址。

之后是迭代查询：根据域名服务器及后续的各个服务器，继续查询操作。**每个服务器并不再返回全部答案，而是只返回自己知道的一部分，由本地域名服务器解析后发出进一步查询报文。**如，首先向跟域名服务器查询edu部分，再向edu服务器查询washington部分....

DNS在我们的生活中有着很广泛的应用。读者可以自己脑补一下打开萌萌的EDGE，第一次访问 cn.bing.com时候发生的事情。

7.3 万维网：web/world wide web

万维网是一个体系结构框架，把分布在整个Internet的机器连接起来供人访问。web由分布在全球范围内的内容组成，这些内容大部分以页面-page的形式表示。通常观看页面的程序称为浏览器。

URL-Uniform Resource locator

**URL（统一资源定位器符）**是为了定位某个web页面而设计的，它包含三个部分：协议、页面所在的机器的DNS名字，以及唯一指向特定页面的路径。当用户点击一个URL（如，http://www.cs.washington.edu/index.html）之后，发生了以下几件事情：

1. 浏览器程序识解析URL，请求DNS服务器查询其中www.cs.washington.edu的ip地址
2. DNS返回查询结果
3. 浏览器与对应ip地址下的80端口建立TCP连接（80端口是专门为HTTP协议预留的，我们会在下一个部分详细讲解）
4. 浏览器发送HTTP报文，请求index.html页面
5. www.cs.washington.edu服务器将html页面文件发回作为http相应。
6. 浏览器还会以同样的过程获取页面包含的其它URL，如内嵌图像、视频、和脚本等。
7. 浏览器负责显示页面
8. 如果短期内没有发送其它请求，则释放该TCP连接

HTTP超文本传输协议- HyperText Transfer Protocol

HTTP运行在**TCP协议**之上，它规定了客户端发送给服务器什么样的消息，并得到什么样的响应。HTTP是一个应用层协议，并与Web密切相关。然而从某种意义上讲，HTTP也越来越像一个传输层协议，因为它为进程间跨越不同网络提供了一种方式。这些进程已经不仅限于Web浏览器或者是服务器，各样的应用都在应用HTTP协议收发数据，发送请求。

HTTP使用了**持续链接（又称连接重用）**技术：建立一个TCP连接，在其上发送多个请求并得到响应，而不是将连接的建立、启动、释放集中于单个请求。这样一来，每个请求的TCP开销就被大大降低了。

HTTPS协议-HyperText Transfer Protocol over Secure Socket Layer

HTTP毕竟是一种不安全的协议（只需要发送和等待hello数据包的相应就会建立连接）。所以有了HTTPS。 HTTPS是一种通过计算机网络进行安全通信的传输协议。仍旧经由HTTP进行通信，但会利用SSL/TLS建立全信道，加密数据包。其中TLS是传输层加密协议，SSL是它的前身。http和https的关系大概相当于下图：

具体来讲，HTTP包含了证书验证和数据传输两个阶段，并且使用了非对称加密（可以简单理解为发送和解码时使用了不同的密钥）方法保证数据安全。

7.4 内容分发

内容分发网络中，内容提供商在全球的某些位置建立一组分布式机器，通过分布式的机器来提供服务内容（考虑像youtube一类的大型网站，任何单一的服务器可能都很难满足其对带宽的需求）。而与之相对应的体系结构是对等网络，就是为人很熟悉的P2P（peer to peer）。在p2p下，计算机之间彼此提供服务内容，不再设置中央控制节点。一个典型例子是迅雷下载，或者是之前的百度网盘用户激励计划。用户之间互相使用自己的上行带宽，为其他用户提供流量。

至此，计算机网络的主要内容就全部结束了~~~主贴请看这里