第十三讲 应用层（二）

本讲主要内容 电子邮件 万维网 DHCP协议

9.3 电子邮件 电子邮件（Electronic mail，简写为E-mail）是因特网上使用最广泛的一种服务。电子邮件是以电子方式存放在计算机中，称为报文（Message）。计算机网络传送报文的方式与普通邮电系统传递信件的方式类似，采用的是存储转发机制。 电子邮件报文中除了可包含文件信息外，还可以包含声音、图形和图像等多媒体形式的信息。

1．电子邮件系统构成 (发送邮件) (发送邮件) (读取邮件) 用 户 代 理 用 户 代 理 SMTP 邮件 服务器 邮件 服务器 POP3 SMTP (TCP 连接) (TCP 连接) (TCP 连接) （发送邮件） 用户邮箱 SMTP (读取邮件) 接收方 发送方 (发送邮件) POP3 SMTP 因特网 用户代理 用户代理 邮件缓存 发送端 邮件服务器 接收端 邮件服务器

电子邮件的典型发送和接收过程如下所示： 发信人调用用户代理来编辑要发送的邮件。用户代理用SMTP将邮件传送给发送端邮件服务器。 发送端邮件服务器将邮件放入邮件缓存队列中，等待发送。 运行在发送端邮件服务器的SMTP客户进程，发现在邮件缓存中有待发送的邮件，就向运行在接收端邮件服务器的SMTP服务器进程发起TCP连接的建立。

电子邮件的典型发送和接收过程如下所示： 当TCP连接建立后，SMTP客户进程开始向远程的SMTP服务器进程发送邮件。如果有多个邮件在邮件缓存中，则SMTP客户一一将它们发送到远程的SMTP服务器。当所有的待发邮件发完了，SMTP就关闭所建立的TCP连接。 运行在接收端邮件服务器中的SMTP服务器进程收到邮件后，将邮件放入收信人用户邮箱里，等待收信人在他方便时进行读取。 收信人在打算收信时，调用用户代理，使用POP3协议将自己的邮件从接收端邮件服务器的用户邮箱中取回。

SMTP SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）称为简单邮件传输协议，目标是向用户提供高效、可靠的邮件传输。

POP3 POP3（Post Office Protocol）即邮局协议，用于电子邮件的接收。它使用TCP的110端口，现在常用的是第三版，所以简称为POP3。 POP3仍采用客户-服务器工作模式。当客户机需要服务时，客户端的软件将与POP3服务器建立TCP连接，此后要经过POP3协议的三种工作状态，首先是认证过程，确认客户机提供的用户名和密码，在认证通过后便函转入处理状态，在此状态下用户可收取自己的邮件或删除邮件，在完成响应的操作后，客户机发出quit命令，此后便进入更新状态，将做删除标记的邮件从服务器端删除掉。至此，整个POP过程完成。

2．邮件地址与基本格式 Internet上的电子邮件地址由两部分组成：用户名和邮箱所在的邮件服务器的主机域名，中间用“@”隔开，如下所示： 用户名@邮箱所在主机域名

电子邮件信息由两部分组成 根据因特网文本报文格式[RFC822]文档，每个标准的电子邮件信息由两部分组成：报文头（header），“信封”，收件人地址、投递日期、邮件主题、发件人地址；报文体（body），邮件正文，就相当于装在信封内的信。 RFC822中规定报文头邮系统头字段（header fields）组成，标准详细规定了各种头字段的语法和语义。每个头字段的形式是： 字段名（field-name）：字段体（field-body）

电子邮件报文主要头字段及其语义如表9-2所示： 首部字段名 含义 Return-path 由最后一个MTA添加，用于标识返回给发件人的地址 Received 传送途中，每个MTA加上的与之有关的一行内容 From 邮件书写者的个人或多人的名字 To 收件人的地址 Cc 抄送收件人的地址 Bcc 暗送收件人的地址 Sender 实际发件人的地址 Subject 主题行，可用于显示本邮件的简短摘要 Date 发送邮件的日期和时间 Message-id 邮件的惟一标识号 Reply-to 回信应送达的地址

3．通用Internet邮件扩展协议MIME 由于因特网的SMTP只能传送7位的ASCⅡ码邮件，非ASCⅡ码的信息如非英语文字、可执行文件、声音图像文件等二进制文件不能附在邮件中传输，因此在1993年提出了通用因特网邮件扩充MIME（multipurpose internet mail extensions）。 MIME并没有改动SMTP或取代它。MIME的目的是继续使用目前的因特网文本报文格式，但增加了邮件主体的结构，并定义了传送非ASCⅡ码的编码规则。

MIME 和 SMTP 的关系 用户 用户 非 ASCII 码 非 ASCII 码 MIME MIME 7 位 ASCII 码

MIME 主要包括三个部分 ： （1）增加了5 个新的邮件首部字段，它们可包含在[RFC 822]首部中。这些字段提供了有关邮件主体的信息。 MIME-Version: 标志 MIME 的版本。 Content-Description: 这是可读字符串，说明此邮件是什么。和邮件的主题差不多。 Content-Id: 邮件的唯一标识符。 Content-Transfer-Encoding: 在传送时邮件的主体是如何编码的。 Content-Type: 说明邮件的性质。

（2）定义了邮件内容类型，对多媒体电子邮件的表示方法进行了标准化 text image audio video 含义 文本数据 图像数据 声音数据 运动图像数据 application message Multipart 要求额外 处理数据 含有嵌套 和链接的数据 包含多个 部分的数据

（3）定义了主体内容传送编码 凡在首部中定义了内容类型的数据都可以包装成基本格式的电子邮件，这种包装实质上是进行一种编码转换，将任意格式的数据编码转换为标准ASCⅡ码用于传送。 MIME定义了7位ASCⅡ码、8位ASCⅡ码、二进制、可打印引用和Base64等五种内容传送编码方法。

9.4 万维网 万维网即WWW（World Wide Web），简称3W。它是目前Internet上最方便、最受欢迎的信息服务类型，它的影响力已远远超出了专业技术范畴，并且已经进入广告、新闻、销售、电子商务与信息服务等各个行业。 WWW同样是建立在客户-服务器模型之上的。

WWW的组织形式 WWW是以超文本标注语言HTML（Hyper Text Markup Language）与超文本传输协议HTTP（Hyper Text Transfer Protocol）为基础，能够提供面向Internet服务的、一致的用户界面的信息浏览系统。 其中，WWW服务器采用超文本链路来链接信息页，这些信息页既可放置在同一主机上，也可放置在不同地理位置的主机上；文本链路由统一资源定位器（Uniform Resource Locator ，URL）维持，WWW客户端软件（即WWW浏览器）负责信息显示与向服务器发送请求。

WWW的组织形式 Internet采用超文本和超媒体的信息组织方式，将信息的链接扩展到整个Internet上。目前，用户利用WWW不仅能访问到Web Server的信息，而且可以访问Gopher、FTP等网络服务。因此，它已成为Internet上应用最广泛和最有前途的工具，并在商业范围内日益发挥着越来越重要的作用。

1.超文本和超媒体 超文本（Hypertext）与超媒体（Hypermedia）是WWW的信息组织形式。 一个超文本由多个信息源链接成，而这些信息源的数目实际上是不受限制的。利用一个链接可使用户找到另一个文档，而这又可链接到其他的文档。这些文档可以位于世界上任何一个接在因特网上的超文本系统中。超文本是万维网的基础。 超媒体与超文本的区别是文档内容不同。超文本文档仅包含文本信息，而超媒体文档还包含其他表示方式的信息，如图形、图像、声音、动画以及活动视频图像。万维网就是一个分布式的超媒体系统，它是超文本系统的扩充。

2.HTTP协议 超文本传输协议（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP）位于TCP/IP协议的应用层，是最广为人知的协议，也是互连网中最核心的协议之一。 同样，HTTP也是基于客户-服务器模型实现的。事实上，我们使用的浏览器如IE，是实现HTTP协议中的客户端，而一些常用的Web服务器软件如Apache、IIS是实现HTTP协议中的服务器端。Web页由服务器端资源定位，传输到浏览器，经过浏览器的解释后，被客户所看到。 HTTP协议是Web浏览器和Web服务器之间的应用层协议，是通用的，无状态的和面向对象的协议。

  万维网的工作过程 服务器 www.tsinghua.edu.cn 链接到URL的超链 客户 浏览器 程序 服务器 程序 HTTP 清华大学 院系设置 浏览器 程序 服务器 程序 HTTP  HTTP 使用此 TCP 连接 因特网 建立 TCP 连接 HTTP 请求报文 ① 请求文档 HTTP 响应报文 ② 响应文档  释放 TCP 连接

一个完整的HTTP协议会话过程包括4个步骤： 连接，Web浏览器与Web服务器建立连接，打开一个Socket连接，标志着连接建立成功。 请求，Web浏览器通过Socket向Web服务器提交请求。HTTP的请求一般是GET或POST命令； 应答，Web浏览器提交请求后，通过HTTP协议传送给Web服务器。Web服务器接到后，进行事务处理，处理结果又通过HTTP传回给Web浏览器，从而在Web浏览器上显示出所请求的页面。 关闭连接，应答结束后Web浏览器与Web服务器必须断开，以保证其他Web浏览器能够与Web服务器建立连接。

HTTP报文 了解HTTP功能最好的方法就是研究HTTP的报文结果。HTTP有两类报文： （1）请求报文——从客户向服务器发送请求报文，见图9-9（a）。 （2）响应报文——从服务器向客户发送回答报文，见图9-9（b）。

HTTP的报文结构： （a）请求报文（b）响应报文

3．超文本标记语言HTML 超文本标记语言HTML（HyperText Markup Language）就是一种制作万维网页面的标准语言，它消除了不同计算机之间信息交流的障碍。 HTML定义了许多用于排版的命令，即“标签（tag）”。 元素（element）是HTML文档结构的基本组成部分。 HTML用一对标签（即一个开始标签和一个结束标签）或几对标签来标识一个元素。

图9-10是个简单例子，用来说明HTML文档中标签的用法。 <HEAD> <TITLE>一个 HTML 的例子</TITLE> </HEAD> <BODY> <H1>HTML 很容易掌握</H1> <P>这是第一个段落。</P> <P>这是第二个段落。</P> </BODY> </HTML>

4.URL与信息定位 HTML的超链接使用URL来定位信息资源所在的位置。URL是Uniform Resource Location的缩写，译为“统一资源定位符”。 通俗地说，URL是Internet上用来描述信息资源的字符串，主要用来在各种WWW客户程序和服务器程序上。采用URL可以用一种统一的格式来描述各种信息资源，包括文件、服务器的地址和目录等。

URL 的一般形式 <URL的访问方式>://<主机>:<端口>/<路径> <主机> 是存放资源的主机 在因特网中的域名 ftp —— 文件传送协议 FTP http —— 超文本传送协议 HTTP News —— USENET 新闻 有时可省略

URL通过访问类型来表示访问方式或使用的协议 HTTP的URL FTP的URL

9.5 动态主机配置协议DHCP DHCP 是 Dynamic Host Configuration Protocol（动态主机配置协议）缩写，由IETF（Internet 网络工程师任务小组）设计，详尽的协议内容在RFC文档rfc2131和rfc1541里。 DHCP用于动态分配、管理网络中主机的IP地址。

在以下场合通常利用DHCP服务器来完成IP地址分配： 网络规模较大，手工配置需要很大的工作量，并难以对整个网络进行集中管理。 网络中主机数目大于该网络支持的IP地址数量，无法给每个主机分配一个固定的IP地址。大量用户必须通过DHCP服务动态获得自己的IP地址，而且，对并发用户的数目也有限制。 网络中具有固定IP地址的主机比较少，大部分主机可以不使用固定的IP地址。

1. DHCP的IP地址分配 （1）IP地址分配策略 对于IP地址的占用时间，不同主机有不同的需求：对于服务器，可能需要长期使用固定的IP地址；对于某些主机，可能需要长期使用某个动态分配的IP地址；而某些个人则可能只在需要时分配一个临时的IP地址就可以了。

针对这些不同的需求，DHCP服务器提供三种IP地址分配策略： 手工分配地址：由管理员为少数特定主机（如www服务器等）配置固定的IP地址。 自动分配地址：为首次连接到网络的某些主机分配固定IP地址，该地址将长期由该主机使用。 动态分配地址：以“租借”的方式将某个地址分配给客户端主机，使用期限到期后，客户端需要重新申请地址。大多数客户端主机得到的是这种动态分配的地址。

（2）IP地址分配的优先次序 DHCP服务器按照如下次序为客户端选择IP地址： DHCP服务器的数据库中与客户端mac地址静态绑定的IP地址； 客户端以前曾经使用过的IP地址，即客户端发送的DHCP-request报文中请求IP地址选项（requested IP addr option）的地址； 在DHCP地址池中，顺序查找可供分配的IP地址，最先找到的IP地址； 如果未找到可用的IP地址，则依次查询超过租期、发生冲突的IP地址，如果找到则进行分配，否则报告错误。

2. DHCP服务器的基本原理 在DHCP的典型应用中，一般包含一台DHCP服务器和多台客户端，如图9-11所示：

DHCP客户端为了获取合法的动态IP地址，在不同阶段与服务器之间交互不同的信息，通常存在以下三种模式： DHCP客户端首次登录网络时，主要通过四个阶段与DHCP服务器建立联系。 发现阶段 提供阶段 选择阶段 确认阶段

（2）DHCP客户端再次登录网络 当DHCP客户端再次登录网络时，主要通过以下几个步骤与DHCP服务器建立联系。 DHCP客户端首次正确登录网络后，以后再登录网络时，只需要广播包含上次分配IP地址的DHCP_request报文即可，不需要再次发送DHCP_discover报文。 DHCP服务器收到DHCP_request报文后，如果客户端申请的地址没有被分配，则返回DHCP_ack确认报文，通知该DHCP客户端继续使用原来的IP地址。 如果此IP地址无法再分配给该DHCP客户端使用（例如已分配给其它客户端），DHCP服务器将返回DHCP_nak报文。客户端收到后，重新发送DHCP_discover报文请求新的IP地址。

（3）DHCP客户端延长IP地址的租用有效期 DHCP服务器分配给客户端的动态IP地址通常有一定的租借期限，期满后服务器会收回该IP地址。如果DHCP客户端希望继续使用该地址，需要更新IP租约（如延长IP地址租约）。 实际使用中，在DHCP客户端启动或IP地址租约期限达到一半时，DHCP客户端会自动向DHCP服务器发送DHCP_request报文，以完成IP租约的更新。如果此IP地址有效，则DHCP服务器回应DHCP_ack报文，通知DHCP客户端已经获得新IP租约。

小结 电子邮件 万维网 DHCP 系统组成 SMTP POP3 MIME 工作方式 HTML HTTP URL 工作场合 工作原理 IP分配方式