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1.应用层的基本概述

应用层对应用程序的通信提供服务。在应用层的协议需要规定：

1.应用进程交换的报文类型，请求还是响应?

2.各种报文类型的语法，如报文中的各个字段及其详细描述。

3.字段的语义，即包含在字段中的信息的含义。

4.进程何时、如何发送报文，以及对报文进行响应的规则。

在这些协议的基础上，应用层需要实现以下功能：

1.文件传输、访问和管理

2.电子邮件

3.虚拟终端（通常用于服务器管理、远程登录等场景，能够方便地远程控制计算机而无需物理接入）

4.查询服务和远程作业登录

2.网络应用模型

应用层最常用的网络应用模型分别为客户/服务器（Client/Server）模型以及P2P（Peer-to-Peer）模型。

（1）客户/服务器模型 服务器是提供计算服务的设备。

1.永久提供服务

2.具有永久性的访问地址/域名

客户机是请求计算服务的主机。

1.与服务器通信，使用服务器提供的服务

2.间歇性接入网络

3.可能使用动态IP地址

4.不与其他客户机直接通信（主机发送的数据需要通过服务器再转发给另外一台主机）

使用客户/服务器的相关应用：Web，文件传输FTP，远程登录，电子邮件

（2）P2P模型

1.在P2P模型中不存在永远在线的服务器，只有主机，每个主机既可以提供服务，也可以请求服务（相当于每台主机既是客户机也是服务器）。

2.任意端系统/节点之间可以直接通讯。

3.节点间歇性接入网络。

4.节点可能改变IP地址。

5.可扩展性好：P2P系统具有自管理的特点，节点之间可以动态地加入或离开网络，系统可以自适应地调整网络拓扑结构和资源分配。这种自管理性使得系统在规模扩大时更容易维护和管理。

6.网络健壮性强： P2P系统没有单点故障，节点之间可以直接通信和共享资源，不依赖于中心服务器（节点之间是对等的关系）。即使某些节点离线或发生故障，其他节点仍然可以继续工作，保持系统的可用性和正常运行。

使用P2P模型的相关应用：文件共享、区块链、内容分发网络、即时通讯和视频流媒体等。

1. 超文本传输协议（HTTP/HTTPS）

HTTP（超文本传输协议）是Web应用的基础，运行在TCP之上，默认端口80。采用请求-响应模型，客户端发请求、服务器返回响应。

• HTTP/1.1：引入持久连接、管道机制、主机头字段，提升传输效率。
• HTTPS：HTTP的安全版本，通过SSL/TLS加密（默认端口443），提供数据加密、服务器身份验证、消息完整性保护。
• HTTP/2：引入多路复用、服务器推送等优化，减少延迟。
• HTTP/3：基于QUIC协议，进一步提升性能（如0-RTT连接建立）。

2. WebSocket

提供客户端与服务器间持久性双向通信通道，适合实时场景（如聊天、协同编辑）。

• 基于TCP，默认端口80（ws://）或443（wss://，加密版）。
• 通过HTTP协议升级握手建立连接（从HTTP切换到WebSocket）。
• 连接建立后支持全双工通信（服务器可主动推数据给客户端），且帧结构开销低，适合频繁小数据传输。

3. 电子邮件协议（SMTP、POP3、IMAP）

• SMTP（简单邮件传输协议）：负责邮件发送，运行在TCP端口25。例如，用户向邮箱服务器发邮件时，通过SMTP推送邮件。
• POP3（邮局协议版本3）：用于从服务器下载邮件到本地，默认端口110。下载后服务器通常删除邮件（可配置保留），适合单设备收信。
• IMAP（互联网消息访问协议）：更灵活的邮件管理协议，默认端口143。支持在服务器端直接管理邮件（建文件夹、标记已读），多设备同步状态更方便。

4. 文件传输协议（FTP）

用于客户端与服务器间文件传输，运行在TCP上，控制端口21、数据端口20（主动模式）或随机端口（被动模式）。

• 主动模式：服务器主动发起数据连接到客户端端口。
• 被动模式：客户端主动发起数据连接到服务器随机端口（规避防火墙限制）。 示例：开发者用FTP向网站服务器上传网页文件。

5. 域名系统（DNS）

负责域名→IP地址的解析（如将www.example.com转为192.0.2.1），是互联网“寻址”核心。

• 运行在UDP（默认端口53，小请求）或TCP（大响应，如区域传输）上。
• 支持递归查询（本地DNS服务器帮用户查）和迭代查询（服务器间逐级查询）。

发送方主机如果要发送数据给特定主机就需要知道这一主机的IP地址，同理如果某人要访问一个网站，也需要通过IP地址进行访问，但是IP地址较为复杂，通过IP地址寻找网站很困难，所以出现了”域名”。

若用户想打开一个网页，并向计算机输入域名，计算机会看不懂这个域名，所以会发往域名服务器，域名服务器会向计算机返回IP地址，计算机收到IP地址后，会根据这个地址向HTTP服务器发送HTTP连接请求，HTTP确认连接，这时候作为用户才算真正打开了网页。

域名：

http://www.fuyeor.com

https://www.baidu.com/

• 域名中的字符只能是A-z、0-9、及”-”。
• 每个点分割开的字符称为一个标号，每个标号不能超过63个字符，但是为了记忆方便最好不要超过12个字符。
• 域名标号的级别高低是自左向右由低到高，最高级的标号被称为顶级域名，其次为二级域名
• 除了顶级域名，二级域名，三级域名……之外，还有一个根域名，根域名的表示其实是com后的一个“.”，即www.cskaoyan.com.
• 顶级域名包括三种类型：

国家顶级域名：cn,us,uk

通用顶级域名：com(企业域名),net（提供互联网服务机构）,org（非营利性组织）,gov（政府）,int（国际组织）,aero（航空）,museum（博物馆）,travel（路由） 基础结构域名/反向域名：arpa（反向解析，从IP地址到域名）

• 二级域名包括两种类型：

类别域名：ac（科研机构）,com（企业）,edu（教育机构）,gov（政府机构）,mil（中国国防机构）,net（提供互联网服务机构,org（非盈利性组织）

行政区域名：用于我国各省、自治区、直辖市 bj（北京）,js（江苏）

自己注册的域名：cctv，cskaoyan

注：二级域名与顶级域名有部分相同，但是我们可以用国家顶级域名加以区分，例如com.cn，就是中国的某企业。

• 在二级域名下可以注册三级域名，例如pku.edu.cn中的pku就是北大申请的三级域名。

www.pku.edu.cn中的www就是第四级域名，常见的四级域名还有：

mail（提供邮件有关的服务器对应的域名） ftp（提供文件传输功能的服务器对应的域名）

每个域名对应一个IP地址，DNS服务器将用户输入的域名映射到相应的IP地址，使得用户可以通过域名来访问特定的网络资源，而无需记住复杂的IP地址。

DNS服务器有多种类型：

根域名服务器<根域名服务器是最高层次的域名服务器>，也是最重要的域名服务器，它知道每一个顶级域名服务器以及其对应的IP地址。

• 假设某台主机要访问一个网站（www.cskaoyan.com），那么这个主机会发给本地域名服务器一个DNS查询请求，试图寻找这个域名对应的IP地址，但是由于这个主机是第一次访问这个网站，本地域名服务器不知道域名对应IP地址，就会向根域名服务器请求帮助

• 根域名服务器知道的是顶级域名服务器以及对应的IP地址，它会根据域名www.cskaoyan.com，将com这个顶级域名服务器对应的IP地址告诉本地域名服务器（迭代），或者它会继续往下查询，从顶级域名服务器到权限域名服务器进行更加详细的查询，直到查询到这个网站对应的IP地址，再返回给本地域名服务器（递归）。这是两种查询的方法，下面会有详细地讲解。

权限域名服务器找到域名对应的IP地址后，IP地址会按照权限域名服务器--->顶级域名服务器--->根域名服务器--->本地域名服务器--->主机的路线返回给主机。

6. 远程登录协议（Telnet、SSH）

• Telnet：早期远程登录协议，运行在TCP端口23，但明文传输（密码等无加密），安全性差，已被SSH取代。
• SSH（安全外壳协议）：加密的远程登录协议，运行在TCP端口22，可安全传输命令、文件（结合SCP、SFTP）。 示例：运维人员通过SSH远程管理云服务器。

7. 动态主机配置协议（DHCP）

自动为客户端分配IP地址、子网掩码、网关、DNS等网络配置，运行在UDP上（服务器端口67、客户端端口68）。

• 家庭路由器、企业内网通过DHCP实现设备“即插即用”连网。

8. 简单网络管理协议（SNMP）

用于网络设备的监控与管理（如路由器、交换机的性能、故障），运行在UDP（默认端口161）或TCP上。

• 管理员通过SNMP获取设备状态、配置参数，实现批量运维。

9. 实时通信协议（XMPP、MQTT）

• XMPP：基于XML的即时通信协议，支持聊天、在线状态（Presence）等，典型应用如早期Jabber、OpenFire服务。
• MQTT：轻量级“发布-订阅”协议，适合物联网（IoT）场景（如传感器数据上报），开销小，能在低带宽、不稳定网络下工作。