计算机网络：应用层 —— 应用层概述

概述

应用层是计算机网络体系结构的最顶层，它直接面向用户和应用程序，解决通过应用进程的交互来实现特定网络应用的问题，是设计和建立计算机网络的最终目的，也是计算机网络中发展最快的部分。

应用层协议定义了应用进程间通信和交互的规则，这些协议主要解决的是网络应用程序与网络服务之间的通信问题。

在 TCP/IP 体系结构中，应用层协议利用传输层提供的服务（如 TCP 或 UDP）来实现各种网络应用。就像是一栋建筑的顶层，它是用户和计算机网络交互的接口，通过应用层协议来完成各种网络功能。

• 早期基于文本的应用(电子邮件、远程登录文件传输、新闻组)

• 20世纪90年代将因特网带入干家万户的万维网WWW

• 当今流行的即时通信、P2P文件共享及各种音视频应用

• 计算设备的小型化和“无处不在”，宽带住宅接入和无线接入的日益普及和迅速发展，为未来更多的新型应用提供了广阔的舞台。

主要功能

应用层的主要功能包括：

• 提供应用服务接口：为各种网络应用程序提供接口，使得应用程序能够方便地使用网络服务。例如，Web 浏览器通过 HTTP（超文本传输协议）与 Web 服务器进行通信，获取网页内容；电子邮件客户端通过 SMTP（简单邮件传输协议）发送邮件，通过 POP3（邮局协议第 3 版）或 IMAP（互联网消息访问协议）接收邮件。这些协议为应用程序提供了发送和接收数据的标准方式。

• 数据表示和转换：负责处理应用程序之间交换的数据的格式和表示。不同的应用程序可能使用不同的数据格式，应用层需要对这些数据进行转换，以确保数据能够在不同的系统之间正确地传输和理解。例如，在网页传输中，HTML（超文本标记语言）格式的网页内容需要被正确地编码和传输，接收方的浏览器再将其解码并显示出来。

• 应用进程通信协调：协调不同应用进程之间的通信。在一个复杂的网络环境中，可能有多个应用程序同时在进行通信，应用层需要对这些通信进行管理和协调。例如，在一个分布式系统中，应用层可以通过远程过程调用（RPC）协议来实现不同主机上的应用进程之间的通信，使得这些进程能够像在本地一样进行交互。

常见应用层协议

• HTTP / HTTPS：

  • HTTP（超文本传输协议）：用于在 Web 浏览器和 Web 服务器之间传输超文本，是构建万维网（WWW）的基础协议。它采用请求 - 响应模式，浏览器发送请求（如 GET 请求获取网页内容，POST 请求提交表单数据等），服务器收到请求后返回相应的响应，包括 HTML 文档、图片、脚本等资源。

  • HTTPS（安全超文本传输协议）：是 HTTP 的安全版本，在 HTTP 的基础上加入了 SSL/TLS（安全套接层 / 传输层安全）加密协议。它主要用于保护敏感信息（如用户登录信息、信用卡信息等）在网络传输过程中的安全，通过加密和身份认证机制，确保数据不被窃取或篡改。

• SMTP、POP3 和 IMAP：

  • SMTP（简单邮件传输协议）：用于发送电子邮件。它规定了邮件从发送方的邮件客户端发送到发送方的邮件服务器，再从发送方的邮件服务器传输到接收方的邮件服务器的过程。SMTP 使用简单的命令 - 响应格式进行通信，发送方通过 SMTP 命令发送邮件相关信息（如发件人、收件人、邮件主题、邮件正文等）。

  • POP3（邮局协议第 3 版）：主要用于接收电子邮件。用户通过 POP3 协议从邮件服务器上下载自己的邮件到本地客户端。POP3 采用客户端 - 服务器模式，客户端连接到服务器后，可以列出邮件列表、下载邮件、删除邮件等操作。

  • IMAP（互联网消息访问协议）：也是用于接收电子邮件，但与 POP3 不同的是，IMAP 提供了更强大的邮件管理功能。用户可以在服务器上直接对邮件进行操作，如创建文件夹、移动邮件、标记邮件等，并且可以在多个设备上同步邮件状态，使得用户在不同设备上访问邮件时能够保持一致的体验。

• DNS（域名系统）：用于将域名（如 www.example.com）转换为对应的 IP 地址。在网络通信中，计算机是通过 IP 地址来识别对方的，但对于用户来说，记住复杂的 IP 地址很困难，DNS 就起到了这个转换的作用。当用户在浏览器中输入域名时，浏览器会首先向 DNS 服务器发送查询请求，DNS 服务器查找并返回对应的 IP 地址，然后浏览器再通过该 IP 地址与目标服务器进行通信。

• FTP（文件传输协议）：用于在不同主机之间传输文件。FTP 采用客户端 - 服务器模式，支持两种连接方式：控制连接和数据连接。控制连接用于传输命令，如用户登录、文件目录操作等命令；数据连接用于传输实际的文件数据。FTP 可以进行文件的上传（从客户端到服务器）和下载（从服务器到客户端）操作，并且可以支持多种文件类型和传输模式。