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六、 应用层

6.1 应用层概述

应用层是计算机网络体系结构的 最顶层，是 设计和建立计算机网络的最终目的，也是计算机网络中发展最快的部分。

• 早期基于文本的应用（电子邮件、远程登录、文件传输、新闻组）
• 20 世纪 90 年代将因特网带入千家万户的万维网 WWW
• 当今流行的即时通信、P2P 文件共享及各种音视频应用
• 计算设备的小型化，宽带住宅接入和无线接入的日益普及和迅速发展，为未来更多的新型应用提供了广阔的舞台。

在本章中，我们以一些经典的网络应用为例来学习有关网络应用的原理、协议和实现方面的知识。

6.2 客户 / 服务器方式（C / S 方式）和对等方式（P2P 方式）

网络应用程序运行在处于网络边缘的不同的端系统上，通过彼此间的通信来共同完成某项任务。

开发一种新的网络应用首先要考虑的问题就是 网络应用程序在各种端系统上的组织方式和它们之间的关系。目前流行的主要有以下两种：

• 客户 / 服务器（Client / Server, C / S）方式
• 对等（Peer-to-Peer, P2P）方式

1. 客户 / 服务器（Client / Server, C / S）方式

客户 / 服务器（Client / Server, C / S）方式

• 客户和服务器是指通信中所涉及的两个应用进程。
• 客户 / 服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。
• 客户是服务请求方，服务器是服务提供方。
• 服务器总是处于运行状态，并等待客户的服务请求。服务器就有固定端口号（例如 HTTP 服务器的默认端口号为 80），而运行服务器的主机也具有固定的 IP 地址。

C / S 方式是因特网上传统的、同时也是最成熟的方式，很多我们熟悉的网络应用采用的都是 C / S 方式。包括万维网 WWW、电子邮件、文件传输 FTP 等。

基于 C / S 方式的应用服务通常是 服务集中型 的，即应用服务集中在网络中比客户计算机少的多的服务器计算机上。

• 由于一台服务器计算机要为多个客户机提供服务，在 C / S 应用中，常会出现服务器计算机跟不上众多客户机请求的情况。
• 为此，在 C / S 应用中，常用 计算机群集（或服务器场）构建一个强大的 虚拟服务器。

2. 对等（Peer-to-Peer, P2P）方式

对等（Peer-to-Peer, P2P）方式

• 在 P2P 方式中，没有固定的服务请求者和服务提供者，分布在网路边缘各端系统中的应用进程是对等的，被称为 对等方。对等方相互之间直接通信，每个对等方既是服务的请求者，又是服务的提供者。

目前，在因特网上流行的 P2P 应用主要包括 P2P 文件共享、即时通信、P2P 流媒体、分布式存储等。

基于 P2P 的应用是 服务分散型的，因为服务不是集中在少数几个服务器计算机中，而是分散在大量对等计算机中，这些计算机不为服务提供商所有，而是为个人控制的桌面计算机和笔记本电脑，他们通常位于住宅、校园和办公室中。

P2P 方式的最突出特性之一就是它的 可扩展性。因为系统每增加一个对等方，不仅增加的是服务的请求者，同时也增加了服务的提供者，系统性能不会因规模的增大而降低。

P2P 方式 具有成本上的优势，因为它通常不需要庞大的服务器设施和服务器带宽。为了降低成本，服务提供商对于将 P2P 方式用于应用的兴趣越来越大。

6.3 动态主机配置协议 DHCP

1. DHCP 的作用

给网络中添加一台 DHCP 服务器：

2. DHCP 的工作过程

假设网络中有两台 DHCP 服务器和一台用户主机，DHCP 使用客户 / 服务器方式，在 DHCP 服务器上运行 DHCP 服务器进程，在用户主机上运行 DHCP 客户进程，DHCP 是 TCP / IP 协议体系应用层 中的协议，它使用 运输层的 UDP 所提供的服务。

封装有 DHCP 报文的 UDP 用户数据报，在网络层会被封装成 IP 数据报，然后再根据所使用的网路接口，封装成相应的数据链路层的帧进行发送。

DHCP 客户寻找 DHCP 服务器

当启用主机的 DHCP 后，DHCP 客户将 广播 发送 DHCP 发现报文，封装该报文的 IP 数据报的 源 IP 地址 为 0.0.0.0，这是因为主机目前 还未分配到 IP 地址，因此使用该地址来代替。目的 IP 地址 为 广播地址 255.255.255.255，这是因为主机现在并不知道网络中有哪几个 DHCP 服务器，它们的 IP 地址各是什么。

由于是广播数据报，因此网络中的所有设备都会收到并解封，解封出封装有 DHCP 发现报文的 UDP 用户数据报。对于 DHCP 客户，其应用层 没有监听 该 UDP 用户数据报目的端口 67 的 进程，因此无法交付报文，只能丢弃；而对于 DHCP 服务器，其应用层始终运行着 DHCP 服务器进程，因此会 接受报文并响应。

对于 DHCP 发现报文，其内部封装有 事物 ID 和 DHCP 客户端的 MAC 地址 等。

DHCP 服务器向 DHCP 客户提供 IP 地址租用

DHCP 服务器收到 DHCP 发现报文 后，根据其中封装的 DHCP 客户端的 MAC 地址 来查找自己的数据库，看是否有针对该 MAC 地址的配置信息。如果有，则使用这些配置信息来构建并发送 DHCP 提供报文；如果没有，则采用默认配置 信息来构建并发送 DHCP 提供报文，封装该报文的 IP 数据报的 源 IP 地址 为 DHCP 服务器的 IP 地址，目的 IP 地址 仍为广播地址。这是因为主机目前还没有配置 IP 地址，为了使主机可以收到，只能发送广播。

这样网络中的所有设备都会收到该 IP 数据报并解封，解封出封装有 DHCP 提供报文的 UDP 用户数据报。对于 DHCP 服务器，其应用层 没有监听 该 UDP 用户数据报目的端口 68 的 进程，因此 无法交付报文，只能丢弃；而对于 DHCP 客户，其应用层运行着 DHCP 客户进程，因此会 接收该 DHCP 提供报文并作出相应处理。

DHCP 客户会根据 DHCP 提供报文中的事物 ID 来判断该报文是否是自己所请求的报文。DHCP 提供报文中还封装有配置信息，需要注意的是，DHCP 服务器从自己的 IP 地址池中挑选待租用给主机的 IP 地址时，会使用 ARP 来 确保 所选 IP 地址 未被网络中其他主机占用。

DHCP 客户接收 IP 地址租约

在本例中，DHCP 客户会受到两个 DHCP 服务器发来的 DHCP 提供报文，DHCP 客户从中选择一个，并向所选择的 DHCP 服务器发送 DHCP 请求报文。封装该报文的 IP 数据报的 源 IP 地址 仍为 0.0.0.0，因为此时 DHCP 客户还需征得所选服务器的同意，之后才能正式使用向该 DHCP 服务器租用的 IP 地址；目的 IP 地址仍为 广播地址，这是因为不用单播告知每一个 DHCP 服务器，DHCP 请求报文中封装有 事物 ID，DHCP 客户端的 MAC 地址，接受的 租约中的 IP 地址，提供租约的 服务器端的 IP 地址 等。

DHCP 服务器确认 IP 地址租约

在本例中，假设 DHCP 客户选择 DHCP 服务器 1 作为自己的 DHCP 服务器，并且 DHCP 服务器 1 接收该请求，于是 DHCP 服务器 1 给 DHCP 客户发送 DHCP 确认报文。封装该报文的 IP 数据报的 源 IP 地址 为 DHCP 服务器 1 的 IP 地址；目的 IP 地址 仍为广播地址。DHCP 客户收到该确认报文后，就可以使用所租用到的 IP 地址了。

要注意的是，在 使用租用到的 IP 地址之前，主机还会使用 ARP 检测该 IP 地址 是否已被网络中的其他主机占用。

• 若被占用：DHCP 客户会给 DHCP 服务器发送 DHCP 谢绝报文，来谢绝 IP 地址租约，并重新发送 DHCP 发现报文；
• 若未被占用：则可以使用租约中的 IP 地址与网络中其他主机通信了。

DHCP 客户进行 IP 地址续约

当 租用期过了一半 时，DHCP 客户会向 DHCP 服务器发送 DHCP 请求报文，来请求 更新租用期。封装该报文的 IP 数据报的 源 IP 地址 为 DHCP 客户之前租用到的 IP 地址，目的 IP 地址 为 DHCP 服务器 1 的地址。

• DHCP 服务器若 同意，则发回 DHCP 确认报文。这样 DHCP 客户就得到了新的租用期。
• DHCP 服务器若 不同意，则发回 DHCP 否认报文。这时，DHCP 客户必须 立即停止使用 之前租用的 IP 地址，并重新发送 DHCP 发现报文 来重新申请 IP 地址。
• DHCP 服务器若 未作出响应，则在租用期过了 87.5% 时，DHCP 客户必须 重新发送 DHCP 请求报文，然后继续等待 DHCP 服务器的响应。
  • 若 DHCP 服务器未作出响应，则当租用期到期后，DHCP 客户必须 立即停止使用 之前租用的 IP 地址，并 重新发送 DHCP 发现报文 来重新申请 IP 地址。

DHCP 客户可以随时解除 IP 地址租约

DHCP 客户可随时提前终止 DHCP 服务器所提供的租用期，这时只需向 DHCP 服务器发送 DHCP 释放报文段 即可。

3. DHCP 中继代理

6.4 域名系统 DNS（Domain Name System）

1. 域名系统 DNS 的作用

当我们在浏览器地址中输入某个 Web 服务器的域名时，用户主机首先会在自己的 DNS 高速缓存中查找该域名所对应的 IP 地址。如果没有找到，则会向网络中的某台 DNS 服务器查询。DNS 服务器中有域名和 IP 地址映射关系的数据库。当 DNS 服务器收到 DNS 查询报文后，在其数据库中进行查询，之后将查询结果发送给用户主机。现在用户主机中的浏览器可以通过 Web 服务器的 IP 地址对其进行访问了。

因特网是否可以只使用一台 DNS 服务器？

这种做法并不可取。因为因特网的规模很大，这样的域名服务器肯定会因为超负荷而无法正常工作，而且一旦域名服务器出现故障，整个因特网就会瘫痪。

在 1983 年，因特网就开始采用 层次结构的命名树 作为主机的名字（域名），并使用 分布式的域名系统 DNS。

DNS 使 大多数域名都在本地解析，仅少量解析需要在因特网上通信，因此系统效率很高。

由于 DNS 是分布式系统，即使单个计算机出了故障，也不会妨碍整个系统的正常运行。

2. 因特网采用层次树状结构的域名系统

域名的结构由若干个分量组成，各分量之间用 ‘.’ 隔开，分别代表不同级别的域名。

• 每一级域名都有英文字母和数字组成，不超过 63 个字符，不区分大小写字母。
• 级别最低的域名写在最左边，而级别最高的顶级域名写在最右边。
• 完整的域名不超过 255 个字符。

域名系统既不规定一个域名需要包含多少个下级域名，也不规定每一级的域名代表什么意思。

各级域名由其上一级的域名管理机构管理，而最高的域名则由因特网名称与数字地址分配机构 ICANN 进行管理。

cn 为顶级域名，代表中国；edu 是在其下注册的二级域名，表示教育机构；hnust 是在 edu 下注册的三级域名，表示湖南科技大学；nic 为校方自行管理的四级域名，表示网络信息中心。

顶级域名 TLD（Top Level Domain）分为以下三类：

• 国家顶级域名 nTLD：采用 ISO 3166 的规定。如 cn 表示中国，us 表示美国，uk 代表英国等等。
• 通用顶级域名 gTLD：最常见的通用顶级域名有七个，即：com（公司企业）、net（网络服务机构）、org（非盈利性组织）、int（国际组织）、edu（美国教育机构）、gov（美国政府部门）、mil（美国军事部门）。
• 反向域 arpa：用于反向域名解析，即 IP 地址反向解析为域名。

在 国家顶级域名下注册的二级域名均由国家自行确定。例如，顶级域名为 jp 的日本，将其教育和企业机构的二级域名定为 ac 和 co，而不用 edu 和 com。

我国 则将 二级域名 划分为以下 两类：

• 类别域名：共七个：ac（科研机构）、com（工、商、金融等企业）、edu（教育机构）、gov（政府部门）、net（提供网络服务的机构）、mil（军事机构）和 org（非营利性组织）。
• 行政区域名：共 34 个，适用于我国的各省、自治区、直辖市。例如：bj 为北京市、sh 为上海市、js 为江苏省，等等。

注意：名称相同的域名其等级未必相同。例如：com 是通用顶级域名，但我国顶级域名 cn 下也有一个名称为 com 的二级域名。

举例：因特网的域名空间

这种按等级管理的命名方法便于维护名字的唯一性，并且也容易设计出一种高效的域名查询机制。需要注意的是，域名只是个逻辑概念，并不代表计算机所在的物理地点。

3. 域名服务器

域名和 IP 地址的映射关系必须保存在域名服务器中，供所有其他应用查询。显然不能将所有信息都储存在一台域名服务器中。DNS 使用 分布在各地的域名服务器 来实现域名到 IP 地址的转换。

域名服务器可以划分为以下四种不同的类型：

• 根域名服务器

根域名服务器是最高层次的域名服务器。每个根域名服务器都知道所有的顶级域名服务器的域名及其 IP 地址。因特网上共有 13个 不同 IP 地址的根域名服务器。尽管我们将这 13 个根域名服务器中的每一个都视为单个的服务器，但 “每台服务器” 实际上是由许多分布在世界各地的计算机构成的 服务器群集。当本地域名服务器向根域名服务器发出查询请求时，路由器就把查询请求报文转发到离这个 DNS 客户最近的一个根域名服务器。这就加快了 DNS 的查询过程，同时也更合理的利用了因特网的资源。根域名服务器通常并不直接对域名进行解析，而是返回该域名所属顶级域名的顶级域名服务器的 IP 地址。

• 顶级域名服务器

这些域名服务器负责 管理在该顶级域名服务器注册的所有二级域名。当收到 DNS 查询请求时就给出相应的回答（可能是最后的结果，也可能是下一级权限域名服务器的 IP 地址）。

• 权限域名服务器

这些域名服务器负责 管理某个区的域名。每一个主机的域名都必须在某个权限域名服务器处注册登记。因此权限域名服务器知道其管辖的域名与 IP 地址的映射关系。另外，权限域名服务器还知道其下级域名服务器的地址。

• 本地域名服务器

本地域名服务器不属于上述的域名服务器的等级结构。当一个主机发出 DNS 请求报文时，这个报文就首先被送往该主机的本地域名服务器。本地域名服务器起着代理的作用，会将该报文转发到上述的域名服务器的等级结构中。每一个因特网服务提供者 ISP，一个大学甚至一个大学的学院，都可以拥有一个本地域名服务器，它有时也称为 默认域名服务器。本地域名服务器离用户较近，一般不超过几个路由器的距离，也有可能就在同一个局域网中。本地域名服务器的 IP 地址需要直接配置在需要域名解析的主机中。

4. 域名解析的过程

递归查询

迭代查询

由于递归查询对于被查询的域名服务器负担太大，通常采用以下模式：从请求主机到本地域名服务器的查询是递归查询，而其余的查询是迭代查询。

5. 高速缓存

为了提高 DNS 的查询效率，并减轻根域名服务器的负荷和减少因特网上 DNS 查询报文数量，在域名服务器中广泛的使用了 高速缓存。高速缓存用来存放最近查询过的域名以及从何处获得域名映射信息的记录。

由于域名到 IP 地址的映射关系并不是永久不变，为保持高速缓存中的内容正确，域名服务器 应为每项内容设置计时器并删除超过合理时间的项（例如，每个项目只存放两天）

不但在本地域名服务器中需要高速缓存，在用户主机中也很需要。许多用户主机在启动时从本地域名服务器下载域名和 IP 地址的全部数据库，维护存放自己最近使用的域名的高速缓存，并且只在从缓存中找不到域名时才向域名服务器查询。同理，主机也需要保持高速缓存中内容的正确性。

6. 习题

题一

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题二

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6.5 文件传送协议 FTP

1. 概述

将某台计算机中的文件通过网络传送到可能相距很远的另一台计算机中，是一项基本的网络应用，即文件传送。

文件传送协议 FTP（File Transfer Protocol）是因特网上使用的最广泛的文件传送协议。

• FTP 提供交互式的访问，允许客户 指明文件的类型与格式（如指明是否使用 ASCII）码，并允许 文件具有存取权限（如访问文件的用户必须经过授权，并输入有效的口令）。
• FTP 屏蔽了各计算机系统的细节，因而适合于在异构网络中任意计算机之间传送文件。

在因特网发展的早期阶段，用 FTP 传送文件约占整个因特网的通信量的三分之一，而由电子邮件和域名系统所产生的通信量还要小于 FTP 所产生的通信量。只是到了 1995 年，万维网 WWW 的通信量才首次超过了 FTP。

2. 文件传送协议 FTP 的应用

根据应用需求的不同，FTP 服务器可能需要一台高性能和高可靠性的服务器计算机，也可能只需要一台普通的个人计算机即可。

我们在 FTP 服务器计算机中创建 FTP 服务器。可以使用第三方 FTP 服务器软件，也可以使用操作系统自带的 FTP 服务器软件。例如，在 windows 系统中使用其自带的 FTP 服务器功能创建一个 FTP 服务器站点。我们可以在 FTP 客户计算机中使用浏览器软件通过 FTP 服务器地址来访问 FTP 服务器。需要注意的是，这里使用的是文件传送协议 FTP，而不是浏览器最常用的超文本传送协议 HTTP。

我们也可以在 FTP 客户计算机中使用 windows 自带的命令行工具。

但是这对用户来说并不友好，因此，大多数用户使用第三方的 FTP 客户工具软件，通过友好的用户界面，来完成 FTP 服务器的登录以及文件的上传和下载。

FTP 的常见用途是在计算机之间传输文件，尤其是用于批量传输文件。FTP 的另一个常见用途是让网站设计者将构成网站内容的大量文件批量上传到他们的 Web 服务器。

3. FTP 的基本工作原理

主动模式

FTP 服务器监听 熟知端口号 21。FTP 客户随机选择一个 临时 端口号与其建立 TCP 连接。这条 TCP 连接用于 FTP 客户与服务器之间 传送 FTP 的相关控制命令。也就是说，这条 TCP 连接时 FTP 客户与服务器之间的命令通道。当有数据要传输时，FTP 客户通过命令通道 告知 FTP 服务器来与自己的另一个临时端口号建立 TCP 连接，建立数据通道。

FTP 客户随机选择另一个端口号，FTP 服务器使用自己的 熟知端口号 20 与其建立 TCP 连接。这条 TCP 连接用于 FTP 客户与服务器之间 传送文件。也就是说，这条 TCP 连接是 FTP 客户与服务器之间的数据通道。由于在建立数据通道时，FTP 服务器主动连接 FTP 客户，因此称为 主动模式。

注意：

• 控制连接在整个会话期间一直保持打开，用于传送 FTP 相关控制命令。
• 数据连接用于文件传输，在每次文件传输时才建立，传输结束就关闭。

被动模式

对于 FTP 客户与服务器之间命令通道的建立，与主动模式相同。不同之处在于，当有数据要传输时，FTP 客户通过命令通道 告知 FTP 服务器开启某个临时端口被动等待 TCP 连接，FTP 客户 发起 与 FTP 服务器的 TCP 连接以建立数据通道。由于在建立数据通道时，FTP 服务器被动等待 FTP 客户的连接，因此称为被动模式。

4. 习题

题一

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题二

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6.6 电子邮件

1. 概述

电子邮件（E-mail）是因特网上 最早流行的一种应用，并且仍然是当今因特网上最重要、最使用的应用之一。

传统的电话通信属于实时通信，存在以下两个缺点：

• 电话通信的主叫和被叫双方必须同时在场；
• 一些不是十分紧迫的电话也常常不必要的打断人们的工作或休息。

而电子邮件与邮政系统的寄信相似

1. 发件人将邮件发送到自己使用的 邮件服务器；
2. 发件人的邮箱服务器将收到的邮件按目的地址转发到收件人邮件服务器中的收件人邮箱；
3. 收件人在方便的时候访问收件人邮件服务器中自己的邮箱，获取收到的电子邮件。

电子邮件使用方便、传递迅速且费用低廉。它不仅可以传送文字信息，而且还可附上声音和图像。

由于电子邮件的广泛使用，现在许多国家已经正式取消了电报业务。在我国，电信局的电报业务也因电子邮件的普及而濒临消失。

2. 工作方式

电子邮件系统采用 客户 / 服务器方式。

电子邮件系统的三个主要组成构建：用户代理，邮件服务器，以及 电子邮件所需的协议。

• 用户代理 是用户与电子邮件系统的接口，又称为 电子邮件客户端软件。
• 邮件服务器 是电子邮件系统的基础设施。因特网上所有的 ISP 都有邮件服务器，其功能是 发送和接收邮件，同时还负责维护用户的邮箱。
• 协议 包括邮件 发送协议（例如 SMTP）和邮件 读取协议（例如 POP3，IMAP）。

3. 简单邮件传送协议 SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）的基本工作原理

4. 电子邮件的信息格式

电子邮件的信息格式并不是由 SMTP 定义的，而是在 RFC 822 中单独定义的。这个 RFC 文档已在 2008 年更新为 RFC 5322。一个电子邮件有 信封 和 内容 两部分。而内容又由 首部 和 主体 两部分构成。

5. 多用途因特网邮件扩展 MIME

SMTP 协议只能传送 ASCII 码文本数据，不能传送可执行文件或其他的二进制对象。

SMTP 不能满足传送多媒体邮件（例如带有图片、音频或视频数据）的需要。并且许多其他非英语国家的文字（例如中文、俄文、甚至带有重音符号的法文或德文）也无法用 SMTP 传送。

为解决 SMTP 传送非 ASCII 码文本的问题，提出了 多用途因特网邮件扩展 MIME（Multipurpose Internet Mail Extensions）。

• 增加了 5 个新的邮件首部字段，这些字段提供了有关邮件主体的信息。
• 定义了 许多邮件内容的格式，对多媒体电子邮件的表示方式进行了标准化。
• 定义了 传送编码，可对任何内容格式进行转换，而不会被邮件系统改变。

实际上，MIME 不仅仅用于 SMTP，也用于后来同样面向 ASCII 字符的 HTTP。

6. 邮件读取协议

常用的邮件读取协议有以下两个：

• 邮局协议 POP（Post Office Protocol），POP3 是其第三个版本，是因特网正式标准。非常简单、功能有限的邮件读取协议。用户只能以 下载并删除方式 或 下载并保留方式 从邮件服务器下载邮件到用户方计算机。不允许用户在邮件服务器上管理自己的邮件。（例如创建文件夹，对邮件进行分类管理等）。
• 因特网邮件访问协议 IMAP（Internet Message Access Protocol），IMAP4 是其第四个版本，目前还只是因特网建议标准。功能比 POP3 强大的邮件读取协议。用户在自己的计算机上就可以操控邮件服务器中的邮箱，就像在本地操控一样，因此 IMAP 是一个联机协议。
• POP3 和 IMAP4 都采用 基于 TCP 连接的 客户 / 服务器方式。POP3 使用熟知端口 110，IMAP4 使用熟知端口 143。

7. 基于万维网的电子邮件

基于万维网的电子邮件

• 通过 浏览器 登录（提供用户名和口令）邮件服务器万维网网站 就可以撰写、收发、阅读和管理电子邮件。这种工作模式与 IMAP 很类似，不同的是用户计算机无需安装专门的用户代理程序，只需要使用通用的万维网浏览器。
• 邮件服务器网站通常都提供非常强大和方便的邮件管理功能，用户可以在邮件服务器网站上管理和处理自己的邮件，而不需要将邮件下载到本地进行管理。

8. 习题

题一

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题二

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题三

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6.7 万维网 WWW

1. 概述

万维网 WWW（World Wide Web）并非某种特殊的计算机网络。它是一个大规模的、联机式的信息储藏所，是运行在因特网上的一个分布式应用。

万维网利用网页之间的 超链接 将不同网站的网页链接成一张逻辑上的信息网。

万维网是欧洲粒子物理实验室的 Tim Berners-Lee 最初于 1989 年 3 月提出的。

1993 年 2 月，第一个图形界面的浏览器 Mosaic，1995 年著名的 Netscape Navigator 浏览器上市。

浏览器最重要的部分是 渲染引擎，也就是 浏览器内核。负责对网页内容进行解析和显示。

• 不同的浏览器内核对网页的解析也有不同，因此同一网页在不同内核的浏览器里的显示效果可能不同；
• 网页编写者需要在不同内核的浏览器中测试网页显示效果。

为了方便的访问在世界范围的文档，万维网使用 统一资源定位符 URL 来指明因特网上任何种类 “资源” 的位置。

URL 的一般形式由以下四个部分组成：

例：

2. 万维网的文档

当我们将网页另存为时，会得到以下文档：

3. 超文本传输协议 HTTP

HTTP（Hyper Text Transfer Protocol）定义了浏览器（即万维网客户进程）怎样向万维网服务器请求万维网文档，以及万维网服务器怎样把万维网文档传送给浏览器。

HTTP / 1.0 采用 非持续连接 方式。在该方式下，每次浏览器要请求一个文件都要与服务器建立 TCP 连接，当收到响应后就立即关闭连接。

• 每请求一个文档就要有两倍的 RTT 的开销。若一个网页上有很多引用对象（例如图片等），那么请求每一个对象都需要花费 2RTT 的时间。
• 为了减小时延，浏览器通常会建立多个并行的 TCP 连接同时请求多个对象。但是，这会大量占用万维网服务器的资源，特别是万维网服务器往往要同时服务于大量客户的请求，这会使其负担很重。

HTTP / 1.1 采用 持续连接 方式。在该方式下，万维网服务器在发送响应后仍然保持这条连接，使同一个客户（浏览器）和该服务器可以继续在这条连接上传后续的 HTTP 请求报文和响应报文。这并不局限于传送同一个页面上引用的对象，而是只要这些文档都在同一个服务器上就行。

• 为了进一步提高效率，HTTP / 1.1 的持续连接还可以使用 流水线 方式工作，即浏览器在收到 HTTP 的响应报文之前就能够连续发送多个请求报文。这样就节省了很多个 RTT 时间，使 TCP 连接中的空闲时间减少，提高了下载文档的效率。

HTTP 的报文格式

HTTP 是 面向文本的，其报文中的每一个 字段 都是一些 ASCII码串，并且每个字段的 长度 都是 不确定 的。

HTTP 请求报文

HTTP 请求报文支持以下方法：

HTTP 响应报文

状态行中的状态码共分五大类共 33 种：

举例说明响应报文中常见的状态行：

4. Cookie

使用 Cookie 在服务器上记录用户信息

• 早期的万维网应用非常简单，仅仅是用户查看存放在不同服务器上的各种静态的文档。因此 HTTP 被设计为一种 无状态 的协议。这样可以简化服务器的设计。
• 现在，用户可以通过万维网实现各种复杂的应用，如网上购物、电子商务等。这些应用往往需要万维网服务器能够识别用户。
• Cookie 提供了一种机制使得万维网服务器能够 “记住” 用户，而无需用户主动提供用户标识信息。也就是说，Cookie 是一种对无状态的 HTTP 进行状态化的技术。

5. 万维网缓存与代理服务器

万维网缓存与代理服务器

• 在万维网中还可以使用缓存机制以提高万维网的效率。
• 万维网缓存又称为 Web 缓存（Web Cache），可位于客户机，也可位于中间系统上，位于中间系统上的 Web 缓存又称为 代理服务器（Proxy Server）。
• Web 缓存把最近的一些请求和响应暂存在本地磁盘中。当新请求到达时，若发现这个请求与暂时存放的请求相同，就返回暂存的响应，而不需要按 URL 的地址再次去因特网访问该资源。

若代理服务器存放有所请求的对象：

若代理服务器没有存放所请求的对象：

若 Web 缓存的命中率较高，可以大大减少链路上的通信量，从而减少了访问因特网的时延。

若原始服务器中文档被更改，而导致代理服务器中文档不一致：

修改时间字段 有效时间字段

当校园网中的某台主机要请求原始服务器中的该文档时，它首先向校园网中的代理服务器发送请求，若代理服务器中的该文档 未过期，则代理服务器将其封装在响应报文中发回给主机。若代理服务器中的该文档 已过期，则代理服务器会向因特网上的原始服务器发送请求，在请求报文中包含有一个首部字段为 if-modified-since 的首部行，该字段的取值就是该文档的修改日期。

原始服务器根据该文档的修改日期，就可判断出代理服务器中存储的该文档是否与自己存储的文档一致。

如果一致，则给代理服务器发送不包含实体主体的响应，状态码为 304，短语为 Not Modified；代理服务器重新更新该文档的有效日期，然后将该文档封装在响应报文中发回给主机。

如果不一致，则给代理服务器发送封装有该文档的响应报文，这样代理服务器就更新了该文档，然后将更新后的该文档封装在响应报文中发回给主机。

6. 习题

题一

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题二

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