4.3.5 应用层协议
应用层协议主要有文件传送协议(FTP)、远程终端协议(TELNET)、简单邮件传送协议(SMTP)、超文本传输协议(HTTP)和动态主机配置协议(DHCP)等。
下面首先讨论许多应用层协议都要使用的域名系统，然后介绍几种常用的应用层协议。
1.域名系统
(1)域名系统的作用
Internet中的IP(IPv4)地址由32 bit组成，对于这种数字型地址，用户很难记忆和理解。Internet允许每个用户为自己的计算机命名，并且允许用户输入计算机的名字来代替机器的IP地址。
但主机处理IP数据报时必须使用IP地址，为此TCP/IP开发了一种命名协议，即域名系统(Domain Name System，DNS)，用于实现主机名与主机IP地址之间的转换。
(2)命名机制
对主机命名的首要要求是全局唯一性，这样才可在整个网络中通用;其次要便于管理，这里包括名字的分配、确认和回收等工作;再者要便于主机名与IP地址之间的转换。对这样3个问题的特定解决方法，便构成了Internet特定的命名机制。
①域名结构
TCP/IP采用的是层次结构的命名机制，任何一个连接在Internet上的主机或路由器，都有一个唯一的层次结构的名字，即域名。
域名的结构由标号序列组成(各标号分别代表不同级别的域名)，各标号之间用点隔开:
四级域名.三级域名.二级域名.顶级域名
例如，mail.cctv.com是中央电视台用于收发电子邮件的计算机(即邮件服务器)的域名，mail.tsinghua.edu.cn是清华大学某台计算机的域名。
②顶级域名
顶级域名(Top Level Domain，TLD)分为3类。
(a)国家顶级域名n TLD
例如，cn表示中国，us表示美国，uk表示英国等。
(b)通用顶级域名g TLD
最早出现的7个通用顶级域名是:com(公司和企业)，net(网络服务机构)，org(非营利性组织)，int(国际组织)，edu(美国专用的教育机构)，gov(美国专用的政府部门)，mil(美国专用的军事部门)。
新增加的11个通用顶级域名是:aero(航空运输企业)，biz(公司和企业)，cat(加泰隆人的语言和文化团体)，coop(合作团体)，info(各种情况)，jobs(人力资源管理者)，mobi(移动产品与服务的用户和提供者)，museum(博物馆)，name(个人)，pro(有证书的专业人员)，travel(旅游业)。
(c)基础结构域名(infrastructure domain)
这种顶级域名只有一个，即arpa，用于反向域名解析，因此又称为反向域名。
③二级域名
国家顶级域名下注册的二级域名由各国家自行确定，我国把二级域名划分为“类别域名”和“行政区域名”两大类。
“类别域名”共7个，分别为:ac(科研机构)，com(工、商、金融等企业)，edu(中国的教育机构)，gov(中国的政府机构)，mil(中国的国防机构)，net(提供互联网络服务的机构)，org(非营利性组织)。
“行政区域名”共34个，适用于我国的各省、自治区和直辖市。例如，bj(北京市)，js(江苏省)等。
④三级域名
一般在某个二级域名下注册的单位可获得一个三级域名。
⑤四级域名
四级域名一般是一个单位里某台计算机的名字。
Internet的域名空间如图4-27所示。
图4-27 Internet的域名空间
(3)域名服务器
在Internet中，IP数据报传送时必须使用IP地址，而用户输入的是主机名字，使用域名服务，可以实现IP地址的解析(即地址转换)。一般在网络中心设置域名服务器，即配置DNS。这是一个软件，可以在任意一台指定的计算机上运行。
每个DNS服务器都只对域名系统中的一部分进行管理，域名服务器有以下4种类型:
·根域名服务器;
·顶级域名服务器;
·权限域名服务器;
·本地域名服务器。
①根域名服务器
根域名服务器是最高层次的域名服务器，所有的根域名服务器都知道所有的顶级域名服务器的域名和IP地址。不管是哪一个本地域名服务器，若要对Internet中任何一个域名进行解析，只要自己无法解析，就首先求助于根域名服务器。
Internet共有13个不同IP地址的根域名服务器，它们的名字是用一个英文字母命名，从a一直到m(前13个字母)。
②顶级域名服务器
顶级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，也可能是下一步应当找的域名服务器的IP地址)。
③权限域名服务器
一个服务器所负责管辖的(或有权限的)范围叫作区(zone)，区可能等于域，也可能小于域。每一个区设置相应的权限域名服务器，用来保存该区中的所有主机的域名到IP地址的映射。
当一个权限域名服务器还不能给出最后的查询回答时，就会告诉发出查询请求的DNS客户，下一步应当找哪一个权限域名服务器。
④本地域名服务器
本地域名服务器(有时也称为默认域名服务器)对域名系统非常重要。当一台主机发出DNS查询请求时，这个查询请求报文就发送给本地域名服务器。每一个Internet服务提供者(ISP)，或一个大学，甚至一个大学里的系，都可以拥有一个本地域名服务器。
2.文件传输协议(FTP)
文件传输协议(File Transfer Protocol，FTP)是Internet最早、最重要的网络服务之一。(1)FTP的特点
FTP具有以下特点:
(a)FTP只提供文件传送的一些基本的服务，它是面向连接的服务，使用TCP作为传输协议，以提供可靠的传输服务。
(b)FTP的主要作用是在不同计算机系统间传送文件，它与这两台计算机所处的位置、连接的方式以及使用的操作系统无关。
(c)FTP使用客户/服务器方式。
(2)FTP的基本工作原理
FTP需要在客户与服务器间建立两个连接:一条连接专用于控制，另一条为数据连接。控制连接用于传送客户与服务器之间的命令和响应，数据连接用于客户与服务器间交换数据信号。如图4-28所示。
图4-28 FTP使用的两个TCP连接
FTP是一个交互式会话的系统，FTP服务器进程在知名端口21上监听来自FTP客户机的连接请求。客户每次调用FTP，便可与FTP服务器建立一个会话。
控制连接在整个会话期间一直保持打开，FTP客户发出的传输请求通过控制连接发送给服务器端的控制进程，但控制连接不用来传输文件。
实际用于传输文件的是“数据连接”。服务器端的控制进程在接收到FTP客户发送来的文件传输请求后就创建“数据传送进程”和“数据连接”，用来连接客户端和服务器端的数据传送进程。
数据传送进程实际完成文件的传送(传输)，在传送完毕后关闭“数据连接”并结束运行。
(3)简单文件传输协议(TFTP)
简单文件传输协议(Trivial File Transfer Protocol，TFTP)是TCP/IP协议簇中的一个很小但易于实现的文件传输协议。
TFTP支持客户/服务器方式，使用的传输层协议是UDP，需要有自己的检错措施。TFTP只支持文件传输，不支持交互。主要有以下特点:
(a)可用于UDP环境;
(b)TFTP代码所占内存较小;
(c)支持ASCII码或二进制传送;
(d)可对文件进行读或写;
(e)每次传送的数据单元中有512 B的数据，最后一次可以不足512 B;
(f)具有发送确认和重发确认。
3.远程终端协议(TELNET)
TELNET是Internet上强有力的功能，也是最基本的服务之一。利用该功能，用户既可以实时地使用远地计算机上对外开放的全部资源，也可以查询数据库、检索资料或利用远程计算机完成大量计算工作。
(1)TELNET的主要功能
TELNET的主要功能有:
(a)在用户终端与远程主机之间建立一种有效的连接;
(b)共享远程主机上的软件及数据资源;
(c)利用远程主机上提供的信息查询服务，进行信息查询。
(2)TELNET的特点
(a)TELNET是一个简单的远程终端协议，也是Internet的正式标准。
(b)用户使用TELNET就可在其所在地通过TCP连接注册(即登录)到远地的另一个主机上(使用主机名或IP地址)。
(c)TELNET能将用户的击键传到远地主机，同时也能将远地主机的输出通过TCP连接返回到用户屏幕。这种服务是透明的，因为用户感觉到好像键盘和显示器是直接连在远地主机上。
(d)TELNET也使用客户/服务器方式。在本地系统运行TELNET客户进程，而在远地主机则运行TELNET服务器进程。
(3)TELNET的远程登录方式
实现远程登录的工具软件是由两部分程序组成的，一部分是寻求服务的程序，装在本地机上，即为客户程序;另一部分是提供服务的程序，装在远地机上，可称为服务程序。两者之间必须建立一种协议，使双方可以通信。登录名与口令是双方协议的具体体现。当用户通过本地主机向远地主机发出上网登录请求后，该远端的宿主机将返回一个信号，要求本地用户输入自己的登录名(login)和口令(password)。只有用户返回的登录名与口令正确，登录才能成功。这一方面是出于网络安全的考虑，另一方面也表示双方的通信已经建立。
在Internet中，很多主机同时装载有寻求服务的程序和提供服务的程序，这样的主机既可以作为本地主机访问其他主机，也可以作为远地主机被其他主机或终端访问，具有客户机与服务器双重身份。
远程登录方式很多，不同的计算机，不同的操作系统，远程登录方式不尽相同。TCP/IP协议支持的登录到Ianternet上的软件工具称为TELNET。TELNET可用DOS或UNIX行命令模式实现，也可利用WWW浏览器以图形界面实现。界面友好、方便，功能也趋向于多元化。除可进行远程登录访问外，还可以对检索到的结果进行编辑、剪切等。
现在由于PC的功能越来越强，用户已较少使用TELNET了。
4.电子邮件
电子邮件(Electronic Mail，E-mail)是Internet中使用频率最高的服务系统之一，也是最基本的Internet服务。它具有方便、快捷和廉价等优于传统邮政邮件的特点。任何能够获得Internet服务的用户都有E-mail功能，只要具有E-mail功能，就能和世界各地的Internet用户通“电子信件”。
(1)E-mail的功能及特点
使用E-mail必须首先拥有一个电子邮箱，它是由E-mail服务提供者为其用户建立在E-mail服务器上专门用于电子邮件的存储区域，并由E-mail服务器进行管理。用户使用Email客户软件在自己的电子邮箱里收发邮件。
①E-mail的功能
E-mail的主要功能有:
(a)信件的起草和编辑;
(b)信件的收发;
(c)信件回复与转发;
(d)退信说明、信件管理、转储和归纳;
(e)电子邮箱的保密。
②E-mail的特点
E-mail主要特点如下:
(a)传送速度快，可靠性高;
(b)用户发送E-mail时，接收方不必在场，发送方也不需知道对方在网络中的位置;
(c)E-mail实现了人与人非实时通信的要求;
(d)E-mail实现了一对多的传送。
(2)E-mail的主要组成构件
E-mail的主要组成构件包括用户代理和邮件服务器，如图4-29所示。
图4-29 E-mail的主要组成构件
用户代理(UA)就是用户与电子邮件系统的接口，是电子邮件客户端软件。用户代理的功能主要有:撰写、显示、处理和通信。
邮件服务器的功能是发送和接收邮件，同时还要向发信人报告邮件传送的情况(已交付、被拒绝、丢失等)。邮件服务器按照客户/服务器方式工作。邮件服务器需要使用发送和读取两个不同的协议。
(3)简单邮件传送协议(SMTP)
电子邮件的标准主要有:
·发送邮件的协议——SMTP;
·读取邮件的协议——POP3和IMAP。
下面重点介绍简单邮件传送协议(SMTP)。
①SMTP的特点
(a)SMTP所规定的就是在两个相互通信的SMTP进程之间应如何交换信息。
(b)SMTP使用客户/服务器方式，因此负责发送邮件的SMTP进程就是SMTP客户，而负责接收邮件的SMTP进程就是SMTP服务器。
(c)SMTP规定了14条命令和21种应答信息。每条命令用4个字母组成，而每一种应答信息一般只有一行信息，由一个3位数字的代码开始，后面附上(也可不附上)很简单的文字说明。
(d)SMTP采用TCP作为传输协议，提供的是面向连接的服务。
②SMTP通信的3个阶段
(a)连接建立:连接是在发送主机的SMTP客户和接收主机的SMTP服务器之间建立的。SMTP不使用中间的邮件服务器。
(b)邮件传送。
(c)连接释放:邮件发送完毕后，SMTP应释放TCP连接。
5.动态主机配置协议(DHCP)
(1)DHCP的作用
动态主机配置协议(Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP)提供了即插即用连网的机制。这种机制允许一台计算机加入新的网络和获取IP地址而不用手工参与。
(2)DHCP的工作原理
DHCP使用客户端/服务器方式。
需要IP地址的主机在启动时就向DHCP服务器广播发送发现报文(DHCPDISCOVER)，这时该主机就成为DHCP客户。本地网络上所有主机都能收到此广播报文，但只有DHCP服务器才回答此广播报文。DHCP服务器先在其数据库中查找该计算机的配置信息。若找到，则返回找到的信息。若找不到，则从服务器的IP地址池(Address Pool)中取一个地址分配给该计算机。DHCP服务器的回答报文叫作提供报文(DHCPOFFER)。
通常，DHCP服务器至少向客户端提供以下信息:IP地址、子网掩码和默认网关，还可以提供其他信息，如DNS服务器的地址等。
DHCP服务器为客户端分配IP地址有3种方式:手工分配、自动分配和动态分配。
(a)手工分配地址:由管理员为少数特定客户端(如WWW服务器等)静态绑定固定的IP地址。通过DHCP将配置的固定IP地址发给客户端。
(b)自动分配地址:DHCP为客户端分配租期为无限长的IP地址。
(c)动态分配地址:DHCP为客户端分配具有一定有效期限的IP地址，到达使用期限后，客户端需要重新申请地址。绝大多数客户端得到的都是这种动态分配的地址。
需要说明的是，并不是每个网络上都有DHCP服务器，因为这样会使DHCP服务器的数量太多。现在是每一个网络至少有一个DHCP中继代理(Relay Agent)，它配置了DHCP服务器的IP地址信息。
DHCP中继代理收到主机发送的发现报文后，就以单播方式向DHCP服务器转发此报文，并等待其回答。收到DHCP服务器回答的提供报文后，DHCP中继代理再将此提供报文发回给主机，如图4-30所示。
图4-30 DHCP中继代理以单播方式转发发现报文