模块 14-15：传输层 应用层

2025-12-132025-12-13

第四次课

一、网络服务与传输层协议

• 客户端和服务器的关系

  • 核心交互逻辑：大多数 Internet 应用依赖服务器与客户端的交互，二者需遵循统一标准和协议以保障通信正常。
  • 定义：
    • 服务器：安装特殊软件，为网络中其他主机提供信息或服务的主机（如 Web 服务器）。
    • 客户端：安装特殊软件，向服务器请求信息并显示的主机（如 Web 浏览器）。
  • 关键特征：客户端发起请求，服务器通过执行特定功能响应（如返回信息）。
  • 典型实例：Web 浏览器与 Web 服务器的组合是最常用的客户端/服务器（C/S）系统。
  • 参考资源：4.03 版教材动画 6.1.1.2 或 7.02 版教材 15.3.1 四步图。

• 常用网络服务简介

  • 域名服务器（DNS）：提供网站的 IP 地址或域名解析服务，使主机能与目标网站连接，对应 4.03 版 6.2 节、7.02 版 15.4 节，关联实验三。
  • Web 服务器：基于超文本传输协议（HTTP），用于 Web 客户端与服务器间的信息传输，大部分网页通过 HTTP 访问，对应 4.03 版 6.2 节、7.02 版 15.3 节，关联实验三。
  • 文件传输协议（FTP）服务器：支持客户端与服务器间的文件下载、上传操作，对应 4.03 版 6.2 节、7.02 版 15.5 节，关联实验三。
  • 动态主机配置协议（DHCP）服务器：为客户端分配 IP 地址、子网掩码、默认网关等网络配置信息，对应 4.03 版 5.3 节、7.02 版 15.4 节，详见第六次课内容。
  • Telnet 服务器：允许管理员从远程登录主机，以本地操作方式控制主机，典型示例为浙江大学海纳百川 BBS（telnet bbs.zju.edu.cn）、飘渺水云间 BBS，模块 2&10 曾提及 Telnet/SSH。
    • 注意：Win7、8、10、11 等系统的 Telnet 客户端默认未启用，需通过“控制面板→程序和功能→启用或关闭 Windows 功能”勾选启用。
  • 电子邮件服务器：使用简单邮件传输协议（SMTP）、邮局协议（POP3）或 Internet 邮件访问协议（IMAP），实现电子邮件的发送与接收，收件人地址格式为 user@xyz，对应 4.03 版 6.2 节、7.02 版 15.3 节。

• 协议在客户端服务器通信中的作用

  • 协议层级：服务器与客户端通信遵循 TCP/IP 协议栈，自上而下分为应用层协议、传输层协议、互联网层协议、网络接入层协议（与 TCP/IP 模型一致）。
    • 应用层（模块 15）：与用户接近，协议如 Telnet、DHCP、DNS、SMTP、HTTP、FTP，定义交互规则（如 HTTP 规定请求与响应格式）。
    • 传输层（模块 14）：协议为 TCP、UDP，管理会话（如 TCP 格式化数据段、提供流量控制）。
    • 互联网层（模块 8）：核心协议为 IP，负责分配 IP 地址、封装数据段为数据包并路由。
    • 网络接入层（模块 4、6、7）：以以太网为代表，负责将数据包封装为数据帧，定义比特传输规则与物理介质标准。
  • Web 通信示例：
    • HTTP（应用层）：指定网页请求与响应格式。
    • TCP（传输层）：管理会话，提供流量控制和确认机制。
    • IP（互联网层）：标识源和目的 IP，路由数据包。
    • 以太网（网络接入层）：封装数据帧并通过介质传输。

• 传输层的 TCP 协议

  • 核心特性：可靠传输，需接收方确认，类似挂号信或电话通话（先建立连接）。
  • 数据处理流程：
    • 发送端：将报文分割为带有序号的数据段并传输。
    • 接收端：按序号重组数据段，恢复原报文并向上层应用传递，同时返回确认。
    • 重传机制：发送方未在规定时间内收到确认，会重传丢失的数据段（仅重传丢失部分，非整个报文）。
  • 典型应用：FTP、HTTP（依赖 TCP 确保数据无误传输）。
  • TCP 连接建立（三次握手）：
    1. 客户端 A 发送 SYN 标志数据段（SEQ=100），请求建立会话。
    2. 服务器 B 返回 SYN+ACK 标志数据段（SEQ=300，ACK=101），确认客户端请求并发起服务器到客户端的会话请求。
    3. 客户端 A 发送 ACK 标志数据段（SEQ=101，ACK=301），确认服务器请求，连接建立。
    4. 参考：7.02 版教材 14.5.2 三步图。
  • TCP 会话终止（四次挥手）：
    1. 客户端 A 发送带 FIN 标志的数据段，请求终止会话。
    2. 服务器 B 返回 ACK，确认收到 FIN。
    3. 服务器 B 发送带 FIN 标志的数据段，终止服务器到客户端的会话。
    4. 客户端 A 返回 ACK，确认收到 FIN，会话关闭。
    5. 参考：7.02 版教材 14.5.3 四步图。
  • 可靠性与流量控制：
    • 窗口大小：16 位 TCP 报头字段，指目的设备一次可接收和处理的字节数，建立会话时商定初始值，会话中可调整（滑动窗口），MSS（最大段大小）为数据段最大长度（如 1460 字节）。
    • 拥塞避免：源设备通过发送速度与确认接收速度的差异判断网络拥塞，拥塞时减少发送字节数（非调整窗口大小），避免重传加剧拥塞。

• 传输层的 UDP 协议

  • 核心特性：无确认、无重传机制，效率高，类似平信（不保证送达但可能性极高）。
  • 数据处理：不跟踪数据段序号，不重组数据，仅按接收顺序向上层应用传递。
  • 典型应用：音频流、视频流、IP 语音（VoIP）、Internet 广播等对延迟敏感、可容忍少量数据丢失的场景（丢失少量数据包仅导致轻微中断，若用 TCP 重传会造成明显暂停）。
  • 与 TCP 的关系：IP 协议仅负责数据包结构、寻址和路由（不可靠），TCP/UDP 定义主机间数据传输方式，IP 依赖二者实现通信；TCP 属于可靠传输协议，UDP 属于简单不可靠传输协议。
  • 层级归属：IP 协议属于 OSI 模型第 3 层（网络层），TCP/UDP 属于 OSI 模型第 4 层（传输层）。

• TCP/IP 端口号（重要概念）

  • 核心作用：标识 TCP/UDP 传输中所需的协议和服务，跟踪特定会话与目标服务，每个数据段包含源端口和目的端口信息。
  • 端口分类：
    • 目的端口：客户端告知服务器所需服务，不同服务对应唯一端口（避免冲突），如 FTP 21、HTTP 80。
    • 源端口：发送方随机生成，用于标识两台设备间的会话。
  • 示例：
    • FTP 连接：源 192.168.1.5（源端口 1305）→ 目的 192.168.1.7（目的端口 21）。
    • Web 连接：源 192.168.1.5（源端口 1099）→ 目的 192.168.1.7（目的端口 80）。
  • 套接字（socket）：源 IP+源端口或目的 IP+目的端口的组合；套接字对（源套接字+目的套接字）用于标识客户端与所请求的服务器及服务，区分互联网上同时进行的大量会话。
  • 端口号范围与分类（16 位字段，范围 1-65535）：
    • 公认端口（1-1023）：与通用服务关联，如 HTTP 80、FTP 21。
    • 注册端口（1024-49151）：可作为源端口或目的端口，用于注册网络应用（如即时消息）。
    • 私有端口（49152-65535）：多作为源端口，又称动态/临时端口，供任意网络应用使用。
  • 管理机构：Internet 名称与数字地址分配机构（ICANN）。

二、各种应用层服务介绍

• 域名服务（DNS）

  • 核心功能：通过 DNS 协议将域名与 IP 地址关联，提供域名解析服务（主机需通过 IP 地址访问目标，域名仅便于记忆），使用 53 端口。
  • 解析机制：DNS 服务器存储域名与 IP 地址的对应表，客户端使用域名访问网站时，会自动向 DNS 服务器请求解析（对用户透明）。
  • 参考资源：4.03 版教材动画 6.2.1.2 或 7.02 版教材 15.4.1 五步图，对应 7.02 版 15.4 节、实验三。
  • 域名结构：
    • 分层树状结构：根域→顶级域（一级域名，如.com、.edu、.cn）→二级域→子域→主机名，用句点“.”分隔，层次与书写顺序相反（如 speedtest.zju.edu.cn）。
    • 完全资格域名（FQDN）：定位主机的完整域名（如 www.zju.edu.cn），类似文件系统的绝对路径（如 C:\WINDOWS\System32\calc.exe）。
    • 区域（zone）：存储单个 DNS 域名的数据库，是域名称空间的一部分，DNS 服务器以区域为单位管理域名，一个服务器可管理多个区域，一个区域可由多个服务器管理。
  • DNS 故障案例：
    • 2014 年 1 月 21 日：国内 DNS 根服务器故障，导致大量.com、.net 域名指向美国 IP。
    • 2016 年 10 月：美国 DNS 服务商 Dyn 遭物联网设备 DDoS 攻击，引发东部大规模互联网瘫痪。
    • 国内案例：2013 年上海联通 DNS 故障、.CN 根域名服务器故障；2014 年浙江大学 DNS 服务器故障。
  • 故障解决方案：手动设置公共 DNS 服务器，如 114DNS（114.114.114.114、114.114.114.115）、DNSPod DNS+（119.29.29.29、182.254.116.116）、阿里 AliDNS（223.5.5.5、223.6.6.6）；IPv6 DNS（240c::6666、240c::6644）。
  • 根服务器现状：
    • IPv4：13 台，1 台主根+9 台辅根在美国，欧洲 2 台、日本 1 台，原由美国控制，2016 年管理权移交 ICANN（由美国国际互联网协会主导）。
    • IPv6：“雪人计划”部署 25 台，国内 4 台（1 主 3 辅），打破无根服务器历史；2016 年 8 月后，.cn 域名解析无需通过美国根服务器。
  • 通俗比喻：DNS 服务器类似班主任，存储“同学姓名（域名）-电话号码（IP 地址）”对照表，网关（如看门大爷）通过 DNS 获取目标 IP 后建立连接。
  • 测试方法：
    • 方法一：cmd 中输入“ping 完整主机域名”（如 ping www.zju.edu.cn），成功则显示域名解析后的 IP 地址。
    • 方法二：cmd 中输入“nslookup 待解析的域名”（如 nslookup www.baidu.com），可指定 DNS 服务器（如 nslookup www.baidu.com 10.10.2.21），支持反向解析（如 nslookup 10.10.0.21）。

• Web 服务

  • 核心功能：在 Web 客户端（浏览器）与 Web 服务器间传输信息，对应 7.02 版 15.3 节、实验三。
  • 核心协议与端口：
    • HTTP（超文本传输协议）：默认端口 80（网址中可省略），非 80 端口需显式指定（如 http://xxx:nnn），非安全协议。
    • HTTPS：安全版 HTTP，基于 SSL 协议，默认端口 443（网址以 https://开头），用于网上银行、加密用户服务等场景。
  • 网页编码：网页内容通过标记语言编码，HTML（超文本标记语言）是最常用类型。
  • 安全漏洞：2014 年曝光 OpenSSL“心脏滴血”漏洞，可能泄露加密密钥，需升级至 OpenSSL 1.0.1g；建议漏洞曝光后修改电商、支付平台密码。
  • 通信过程参考：4.03 版教材动画 6.2.2.1 或 7.02 版教材 15.3.1 四步图。

• FTP 服务

  • 核心功能：实现客户端与服务器间的文件上传、下载及远程管理，对应 7.02 版 15.5 节、实验三。
  • 协议与端口：
    • 控制端口：默认 21（建立连接、发送控制命令），可修改（如 111）。
    • 数据端口：默认 20（传输数据），由 FTP 软件自动选择。
    • FTPS（安全 FTP）：使用 990 端口。
  • 访问方式：
    • 命令行：Windows cmd 中输入“ftp”，支持 open、dir、get、put、quit 等命令（如 ftp>open 10.71.72.84 111）。
    • 系统内置客户端：Windows 资源管理器/此电脑（输入 ftp://xxx 或 ftp://xxx:nnn）。
    • 专用 GUI 客户端：FlashFXP、FileZilla、Total Commander 等，支持被动模式传输。
  • 模式示例：
    • 主动模式：客户端发起控制连接，服务器主动发起数据连接。
    • 被动模式：客户端同时发起控制连接和数据连接（类似浏览器），需在客户端软件中勾选设置。

• 电子邮件服务

  • 核心功能：在服务器用户信箱中发送、接收、存储邮件，服务器软件支持与客户端或其他邮件服务器交互。
  • 地址格式：user@公司.域（如 xxx@zju.edu.cn）。
  • 核心协议与端口：
    • SMTP（简单邮件传输协议）：发送邮件，默认端口 25，安全加密端口 465、587、994。
    • POP3（邮局协议）：收取邮件，默认端口 110，安全加密端口 995；默认下载邮件后服务器不保留副本。
    • IMAP4（Internet 邮件访问协议）：收取邮件，默认端口 143，安全加密端口 993；邮件保留在服务器，可仅下载主题，需查看时再下载内容（节省流量和时间）。
  • 协议应用场景：
    • SMTP：客户端向本地邮件服务器发送邮件，邮件服务器间传输邮件。
    • POP3：适用于大多数邮件服务器，客户端下载邮件后本地存储。
    • IMAP4：适用于 Gmail、网易 163、新浪等邮箱，支持多设备同步邮件状态。
  • 注意：使用网页版邮箱无需关注协议；使用 Outlook、Foxmail 等客户端或手机/平板邮件 App 时，需配置对应协议和端口。

• IM 服务

  • 核心功能：通过即时消息软件实现 Internet 实时通信/聊天。
  • 关键特性：
    • 协议与端口：不同 IM 服务可能使用不同协议和目的端口，需安装兼容软件才能通信。
    • 配置要求：极少配置即可使用，各类主机均可下载安装客户端软件。

• 语音服务

  • 核心技术：IP 语音（VoIP=Voice over IP），通过 IP 数据包传输数字化语音数据。
  • 实现方式：
    • 客户端软件：采用点对点技术（类似 IM）。
    • 呼叫普通电话（座机/手机）：需通过网关访问公共交换电话网（PSTN）。

• 小结 1：常用端口号

  • Telnet：默认 23（如 telnet bbs.zju.edu.cn=telnet bbs.zju.edu.cn 23）。
  • POP3：默认 110，加密端口 995。
  • SMTP：默认 25，加密端口 465、587、994。
  • HTTP：默认 80。
  • HTTPS：默认 443。
  • FTP：控制端口 21，数据端口 20，FTPS 端口 990。
  • DNS：53。
  • IMAP4：默认 143，加密端口 993。
  • Telnet over SSL：992 端口。
  • 常用工具：netstat -b 命令（查看当前网络连接的端口号及关联程序）、CurrPorts 软件（查看应用程序占用端口情况）。

• 小结 2：使用 TCP 的应用层网络服务

  • 核心服务：FTP、SMTP、HTTP、Telnet。
  • 底层依赖：TCP 协议提供可靠传输，IP 协议提供路由支持。

• 小结 3：使用 UDP 的应用层网络服务

  • 核心服务：DNS、DHCP、VoIP、IPTV、SNMP（简单网络管理协议）、TFTP（简单文件传输协议）。
  • 适用场景分类：
    • 实时视频/多媒体应用：可容忍部分数据丢失，要求低延迟（如 VoIP、实时流视频）。
    • 简单请求/应答应用：处理简单事务，无需必收应答（如 DNS、DHCP）。
    • 自行处理可靠性的应用：无需传输层提供流量控制、错误监测等，或应用自身可处理（如 SNMP、TFTP）。
  • 特殊说明：DNS 和 SNMP 默认使用 UDP，当请求/响应大于 512 字节时改用 TCP。

• 总结

  • 服务器定义：运行特定软件，为网络中其他主机提供服务的主机。
  • 协议作用：
    • 应用服务协议：决定服务器与客户端的交互和信息交换方式。
    • 传输协议（TCP/UDP）：定义端口号，管理服务器与客户端间的每次会话。