第3章 应用层

网络应用中，有一些应用是要求数据绝对不能 丢失的，如电子邮件、文件传输、Web文档传输以及 很多重要数据如金融应用中的数据的传输等。在这 些应用中，数据哪怕只丢失一个bit也将使得其他数 据无效或者还可能带来灾难性的后果。而有一些网 络应用则可以容忍一定程度的数据丢失率，如实时 的音频及视频应用，因为在这些应用中丢失部分数 据只会影响应用的品质，而不会造成其他数据的失 效或其他严重后果。
协议设计所涉及的内容包括两个主要方 面，一是创建或抽取出协议所必须完成 的功能、分组交互顺序和所提供的服务， 并对其进行分析验证，以保证它们不包 含逻辑错误并具有良好的性能。这个方 面又可分为服务描述、功能创建与综合、 验证和性能分析等多个子部分。二是分 析实现协议和实现环境，并规定协议中 与实现环境有关的详细部分。
作为世界上第一个网络操作系统的伯克 利UNIX操作系统首先定义和实现了这样 一套API——套接字编程接口（Socket API）。后来微软公司决定使其在 Windows中的Winsock编程接口保持与 Socket编程接口基本一致。
Winsock已成为能够访问多种底层网络协议的、 最为流行的网络编程接口，网络程序设计人员 在所有的Win32平台（Windows 9x、Windows NT/2000、Windows XP）上都能应用它。值得 注意的是，Winsock是一套网络编程接口而不 是一个协议。到Winsock 2则已经进化成为了 一套真正的协议无关的编程接口，更确切的说， 是一个提供给程序员的、使其能与网络运输层 通信的、与协议无关的编程接口。
协议建模与描述
协议建模与描述就是要用形式描述语言描述协 议实体的信息交互规则、格式和相关定义,包 括以下几项内容： 分组通信的时间顺序； 分组参数的取值范围； 解释和选取参数的规则； 传输分组的编码； 对分组传输或处理过程中的性能要求。



协议验证
协议验证技术就是用数学方法证实用形 式描述语言描述的协议形式描述中不存 在逻辑错误，如死锁、不完全性、不稳 定性、活锁以及信道溢出等，从而确认 协议的形式描述具有安全性和灵活性， 使得计算机网络系统更加健壮。
3.1.5 运输层所提供的服务
TCP/IP网络有两个运输层协议，即UDP协议和 TCP协议。其中，TCP协议提供面向连接的、可 靠的数据传输。面向连接即指客户端程序在通 信之前要与服务器端程序互相交换控制信息， 首先建立起与服务器端的连接，在通信完成之 后则将发送结束报文以结束连接。可靠的数据 据传输指数据是无差错且按发送次序到达接收 方的。UDP协议则提供无连接的、不可靠的数 据传输，无连接即指在通信之前无须先建立连 接，不可靠指其无法保证报文能够被接收方接 收到，也不保证数据按发送次序到达接收方。
3.1.3 应用层协议的角色
网络协议是为实现计算机通信的一套规则，应 用层协议则是网络应用程序之间进行有效通信 的规则，它定义了运行在不同主机上的应用程 序应该如何相互传递数据与指令。 每一个协议一般以一个RFC的形式定义，由此 所有开发此类应用程序的程序员都应遵循这个 RFC的要求，否则他所开发的程序将无法与其 他应用程序有效通信。
对带宽的要求
在网络中有不少应用对带宽是有最低的要求的， 如果不能保证满足要求的最低带宽，则这种应 用将因为无法提供令人能够忍受的服务而不能 进行。如IP电话一般需要32kb/s的带宽，若低 于这个值的话，则语音将变得断断续续或不清 晰。与之相反，则另一部分网络应用对网络所 能提供的带宽的要求是弹性的，如电子邮件、 文件传输或者Web服务，因为这些应用可以利 用网络空闲时再继续传送数据，只要最后数据 全部送达即可，所花费时间的长短并不是重要 的因素。
3.1.4 网络应用所需要的服务
由于运输层协议一般不只一种，因此当 开发一个应用时，必须选择一种合适的 运输层协议，因而必须考虑这些可用的 运输层协议所提供服务的特性，从而选 择其中最为恰当的、最符合应用需求的 协议。考虑的方面大体可以有三个：对 数据丢失率的要求、对带宽的要求和对 时间的要求。
对数据丢失率的要求
3.3 网络协议开发与协议工程简介
一个完整的协议定义,事实上也与一个语 言的定义很相似，它必须定义严格的信 息传递格式（如同语言的语法）和信息 传递次序（如同语言的文法），同时还 应定义通信时所使用的指令（如同语言 中的词汇）和这些指令所要求的操作 （如同语义）。
3.3.1 网络协议工程简介
从20世纪70年代起，随着计算机网络的发展， 国际上许多组织投入了大量的人力和物力进行 协议与标准的制定，以期达到计算机网络的开 放性、安全性和健壮性。 目前Internet协会已制定了4000多个RFC标准、 草案、提案和实验标准等，其内容涵盖了从物 理层的传输介质到应用层的各种网络应用。
操作系统与网络应用程序的关系


在个人计算机中，一般是由计算机中的网络适配器、 网络适配器的驱动程序、网络操作系统中的网络核心 部分共同提供了从物理层直到传输层的网络服务，同 时操作系统还需提供应用程序与操作系统网络核心部 分交互的应用程序编程接口（API，Application Programming Interface），而众多的网络应用程序如 网络浏览器、电子邮件收发软件、即时通信软件等则 通过此接口按应用层协议的要求向网络上的其它计算 机发送数据或指令。 在这个过程中，数据或指令将被以流式或数据包的形 式被不同的网络设备或软件处理，但最终它们将到达 指定计算机，并被指定计算机中的指定应用程序或进 程所接收。
网络协议工程可分为上流工程和下流 工程。上流工程包括需求分析、功能与 服务的描述、协议结构设计等过程，下 流工程则指由形式描述语言到软件代码 的转换与验证过程。
3.3.2 网络协议的开发过程
由于计算机网络必须具有高度的可靠性、稳定 性、开放性和经济性，因此网络协议的设计与 开发就成为一个需要在多种性能要求之间求得 平衡的复杂过程，一般来说，计算机网络的协 议设计包括功能设计、协议机制设计、协议格 式设计和所提供的服务设计等，而具体从过程 上看，协议设计又可分为概要设计、结构和模 块设计、实现环境设计和详细设计等。
网络协议工程是一门研究如何设计和构 造协议、如何将设计和构造的协议快速、 准确同时低成本地转换为可执行代码的 科学。它为协议的设计和开发提供了一 套综合、规范和自动的方法与过程。一 般来讲，协议工程包含两个方面的内容， 一是协议规则与标准（包括语法、文法 和语义）制定，二是如何按照制定的协 议开发出高性能代码的过程。


网络应用程序开发基础 域名系统DNS 文件传输协议FTP 超文本传输协议HTTP 邮局协议POP3 简单邮件传输协议SMTP
3.1 应用层概述
本章首先将介绍网络应用层的基础知识和 在Windows操作系统下进行网络应用程序设计 的基础知识，然后介绍一些关于网络协议开发 过程的基础知识，最后介绍在计算机网络应用 层得到广泛应用的域名系统DNS、文件传输协 议FTP、超文本传输协议HTTP、邮局协议 POP3和简单邮件传输协议SMTP，此外还将介 绍网络多媒体实时通信的相关协议以及点对点 P2P应用的相关内容。
图3-3 协议形式描述与协议验证的关系
协议实现
协议实现即把协议标准或协议形式描述 变换成计算机可执行代码的过程，这是 一个从形式描述到软件代码的逐步求精 的过程。在这个过程中，首先应根据与 实现相关的具体情况将协议标准向面向 实现的描述转换，然后再采用手工编程 和半自动工具辅助手工编程来实现协议。
计算机网络实用教程
第3章 应用层
目录

3.1 3.2 3.3 3.4
应用层概述 网络应用程序开发基础 网络协议开发与协议工程简介 域名系统DNS
目录

3.5 3.6 3.7 3.8
万维网——HTTP协议和Web应用 文件传输协议FTP 电子邮件 其他网络应用
本章重点内容
3.1.2 通信主体与寻址
谁是计算机网络的通信主体？ 从技术的角度看，可以认为计算机网络中的通 信主体是应用程序或者进程。 为了确认作为通信主体的进程，通常需要两种 信息：（1）该主机的地址；（2）用来指定目 的主机上接收进程的标识。对于前者，是用IP 地址来指定的；对于后者，则用端口号或者说 端口地址来指定的。
以规范的形式与过程来研究和开发协议，其目 的在于提高协议软件的可靠性和可维护性，最 大程度地减少开发成本，同时使计算机网络具 备更好的开放性。为了保证协议的一致性、安 全性和完整性，具有严格定义的数学模型的协 议形式描述技术就成了协议工程的基础，较为 常用的数学模型包括有限状态自动机、Petri网、 时序逻辑、抽象数据类型和多元代数等。
3.2 网络应用程序开发基础
应用程序编程接口（API）是操作系统提供给 程序设计人员的一整套可供调用的系统函数， 在这些API之间并非全是独立无关的，它们是 可以按用途分成许多相关的种类的，例如用于 访问和控制内存分配的、用于磁盘操作的、用 于网络访问等，人们往往把这些用途相同的 API归之为一个类别，并称之为一套。网络应 用程序需要调用操作系统提供的网络应用程序 接口API才能与运输层协议进程通信。
操作系统与网络应用程序的关系
网络应用程序
网络应用程序编程接口API
传输层
网络层 网络适配器驱动程序
操 作 系 统
网络适配器
3.1.1 网络与网络协议的多样性
在计算机网络的发展过程中，各类研究机构或 公司提出和实现了许多不同类型的计算机网络， 之所以说它们是不同类型的网络，是因为它们 在通信时各使用不同的一组网络协议—协议簇。 在现实情况中，为了使不同类型网络中的计算 机也能够通信，现代计算机操作系统也一般都 支持多种使用不同协议簇的网络，如Windows 操作系统就支持TCP/IP、IPX/SPX、NetBIOS、 AppleTalk协议簇和ATM网络。其中，TCP/IP协 议簇是目前最为流行的网络协议簇，几乎所有 主流的操作系统都提供了对它的支持，同时这 也是本书介绍的重点。