第9章应用层
第9章 应用层 223第九章 应用层在前面几章中,我们就应用层下面的各层进行了讨论,并介绍了主流的局域网技术和广域网技术,本章我们将讨论重点转向应用层。应用层是OSI 参考模型的最高层,它直接为用户提
第9章 应用层 223
第九章 应用层
在前面几章中,我们就应用层下面的各层进行了讨论,并介绍了主流的局域网技术和广域网技术,本章我们将讨论重点转向应用层。应用层是OSI 参考模型的最高层,它直接为用户提供服务,如果没有应用层,下面各层的存在就失去了意义。Internet 技术的发展已经极大促进了TCP/IP应用层协议的发展。因此,本章我们以TCP/IP 应用层为例,介绍常见的TCP/IP应用服务与应用支撑协议。本章建议教学时数为6- 7学时,本章学习导航参见表9.1。
表9.1 第9章学习导航 驱动问题
在Internet 上,常用的应用有哪些,这些应用所
使用的相应的支撑协议分别是什么? 涉及的知识点 常见的应用层协议 学习要求 掌握
理解
掌握
掌握
理解 应用层的协议如何使用传输层为其提供的服务应用层协议与传输层协议之间的关系 DNS 的作用是什么?其工作原理是怎样? 在Internet 网上,我们怎么才能找到相应的信息资源。网页是用什么语言写的? 发送电子邮件时需要邮件接收的用户必须同时
在线吗?
可以用一个自己的本地计算机直接操纵远程计
算机,并且像使用本地主机一样使用远程主机的
资源吗? 域、域名服务器、DNS 的工作原理 URL、HTML、HTTP e-mail 的工作原理 邮件地址及相应的邮件协议 TELNET的工作原理 理解
9.1 TCP/IP的应用层
应用层是TCP/IP模型的最高层,其通过使用传输层所提供的服务,直接向用户提供服务,是TCP/IP网络与用户之间的界面或接口。该层由若干面向用户提供服务的应用协议和支持这些应用的支撑协议组成,基于这些协议,应用层向用户提供了众多的网络应用。
TCP/IP应用层上的典型应用包括WEB 浏览、电子邮件、文件传输访问和远程登录等,与这些应用相关的协议包括超文本传输协议(HTTP )、简单邮件传输协议(SMTP )、文件
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传输协议(FTP )、简单文件传输协议(TFTP )和虚拟终端协议(Telnet )。
HTTP :用来在浏览器和WWW 服务器之间传送超文本的协议。
SMTP :用于实现电子邮件传输的应用协议。
FTP :用于实现文件传输服务的协议。通过FTP 用户可以方便地连接到远程服务
器上,可以进行查看、删除、移动、复制、更名远程服务器上的文件内容的操作,并能进行上传文件和下载文件等操作。
TFTP :用于提供小而简单的文件传输服务。从某个意义上来说,TFTP 是对FTP
的一种补充,特别是在文件较小并且只有传输需求的时候该协议显得更加有效率。 Telnet :实现虚拟或仿真终端的服务,允许用户把自己的计算机当作远程主机上的
一个终端连接到远程计算机,并使用基于文本界面的命令控制和管理远程主机上的文件及其他资源。
为了使用户更加可靠、高效地访问网络应用服务, TCP/IP模型的应用层还提供了一些专门的应用支撑协议,如域名服务系统(DNS )、简单网络管理协议(SNMP )等。
DNS :用于实现域名和IP 地址之间的相互转换。
SNMP :由于因特网结构复杂,拥有众多的操作者,因此需要好的工具进行网络管
理,以确保网络运行的可靠性和可管理性。而SNMP 提供了一种监控和管理计算机网络的有效方法,它已成为计算机网络管理的事实标准。
图9.1给出了上述的应用层协议与传输层TCP 、UDP 协议及其端口之间的关系。应用层协议根据所使用的传输层服务的不同可以分为三类:一类是基于面向连接的TCP 协议,如HTTP 、FTP 、SMTP 和TELNET 等;另一类是基于无连接的UDP 协议,如SNMP 、TFTP 和 DHCP等;还有一类既可基于TCP 协议,也可基于UDP 协议,如DNS 。

图9.1常见应用层协议与TCP 、UDP 协议之间的关系
9.2 DNS服务
任何TCP/IP应用在网络层都是基于IP 协议实现的,需要用IP 地址来实现主机的逻辑寻址。但是32位二进制长度的IP 地址非常难以记忆,即使采用点分十进制表示,也不具备足够的可记忆性。为了便于用户使用网络服务,我们引入了更容易记忆的ASCII 串符号来替代IP 地址,这种特殊用途的ASCII 串被称为域名。例如,人们很容易记住代表温州大学网站的域名“www.wzu.edu.cn ”,但是如果要求人们记得温州大学网站的IP 地址
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“218.75.16.107”恐怕就很难了。但是,一旦引入了域名,就需要为应用程序提供关于域名和IP 地址之间的映射服务,否则应用进程就无法借助域名来实现主机的IP 寻址。
域名与IP 地址之间的映射在上个世纪70年代由网络信息中心(NIC )负责完成。NIC 记录所有的域名地址和IP 地址的映射关系,并负责将记录的地址映射信息分发给接入因特网的所有最低级域名服务器(仅管辖域内的主机和用户)。每台域名服务器上维护一个称之为“hosts.txt ”的文件,记录其它各域的域名服务器及其对应的IP 地址。NIC 负责所有域名服务器上“hosts.txt ”文件的一致性。主机之间使用域名的通信通过查阅域名服务器上的hosts.txt 文件来获得IP 地址。但是,随着网络规模的扩大和接入网络的主机数的增加,要求每台域名服务器都能容纳所有的域名地址信息就变得极不现实,同时对不断增大的“hosts.txt ”文件一致性的维护也浪费了大量的网络系统资源。
为了解决这些问题,提出了域名系统(domain name system,简称DNS ),它通过分级的域名服务和管理功能提供了高效的域名解释服务。DNS 包括域、域名、主机和域名服务器四大要素。
9.2.1域、域名和域名空间
域(Domain )指由地理位置或业务类型而联系在一起的一组计算机构成的一种集合,一个域内可以容纳多台主机。在域中,所有主机用域名(Domain name)来标识,域名由字符和(或)数字组成,用于替代主机的IP 地址。当因特网的规模不断增大时,域和域中所拥有的主机数目也随之增大,管理一个大而经常变化的域名集合是非常复杂的,为此提出了一种基于域的分级命名机制,并得到了分级结构的域名空间。域名空间的分级结构有点类似于邮政系统中的分级地址结构,如“中国 浙江省 温州大学 城市学院 张三”。
图9.2给出了关于域名空间分级结构的示意,整个形状如一棵倒立的树。根结点不代表任何具体的域,被称为根域(root);在根域之下,是几百个顶级(top-level )域,每个顶级域除了可以包括许多主机外,还可以被进一步划分为子域;子域之下除了可以有主机外,也可以有更小的子域;图中的叶子结点代表没有子域的域,但这种叶子域可以包含若干台主机。
顶级域由一般域和国家域组成。一般域最初只有六个,分别是COM (商业机构)、EDU (教育单位)、GOV (政府部门)、MIL (军事单位)、NET (提供网络服务的系统)和ORG (非COM 类的组织),后来又增加了一个为国际组织所使用的INT ;国家级域是指代表不同国家或地区的顶级域,如CN 表示中国、UK 表示英国、FR 表示法国、JP 表示日本、HK 代表香港等等。几乎所有美国组织都处于一般域中,而几乎所有非美国的组织都列在其所在国的域下面。
采用分级结构的域名空间后,每个节点就采用从该节点往上到根的路径命名,称之为域名。在域名的书写中,路径名的长度最多达63个字符,路径名之间用圆点“. ”分隔,路径全名则不能超过255个字符。例如,在图9.2中关于温州大学的域名就应表达为“wzu.edu.cn ”。注意,域名对大小写不敏感,所以“edu ”和“EDU ”的写法是一样的。
在分级结构的域名系统中,每个域都对分配其下面的子域存在控制权,并负责登记自己所有的子域。要创建一个新的子域,必须征得其所属域的同意。例如,若温州大学希望
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自己的域名为“wzu.edu.cn ”,则需要向“edu.cn ”的域管理者提出申请并获得批准。采取这种方式,可以避免同一域中的名字冲突。一旦一个新的子域被创建和登记,那么这个子域就可以创建自己的子域而无须再征得它的上一级域的同意。例如,若温州大学想在其域下创建一个名为“cs ”的子域,就不需要再征得“edu.cn ” 域管理者的同意了。
注意,域的命名遵循的是组织界限,而不是物理网络。位于同一物理网络内的主机可以属于不同的域,而位于同一域内的主机也可属于不同的物理网络。 通用的robot
图9.2 域名空间示意图
9.2.2域名解析
在因特网中向主机提供域名解析服务的机器被称为域名服务器或名字服务器。从理论上,一台名字服务器就可以包括整个DNS 数据库,并响应所有的查询。但实际上这样DNS 服务器就会由于负载过重而不能运行。于是,与分级结构的域名空间相对应,用于域名解析的域名系统DNS 在实现上也采用了层次化模式,类似于分布式数据库查询系统。
域名解析使用可以使用UDP 协议,也可以使用TCP 协议,其端口号为53。提出DNS 解析请求的主机与域名服务器之间采用客户机-服务器(C-S )模式工作。当某个应用程序需要将一个名字映射为一个IP 地址时,应用程序调用一种名为域名解析器(resolver ,参数为要解析的域名地址)的函数库,由解析器将包含DNS 请求的分组传送给本地DNS 服务器上,由本地DNS 服务器负责查找名字并将IP 地址映射信息返回给解析器。解析器再把该信息返回给调用程序。本地DNS 服务器以数据库查询方式完成域名解析过程,并且采用了递归查询。递归查询的具体过程如下:
当解析器查询域名时,它首先把查询传递给本地的一台名字服务器。
该名字服务器在本地的内存缓冲区中搜索最近时间里解析的名称地址。如果本地
缓冲区中找到了要解析的名称所对应的IP 地址,则这台名字服务器将相应的信息
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返回给客户机上的解析器进程。
否则,该名字服务器在本地静态表中搜寻,看是否在管理员录入的DNS 表项中有
该主机名称所对应的IP 地址。如果要解析的名称存在于静态表中,名字服务器也
向客户机发送相应的IP 地址。
如果以上两项都未解析出域名所对应的IP 地址,则表示所要求解析的域名为一远
程域名,一直是这台名字服务器会转向根名字服务器查询。
根名称服务器向该域名中指定的顶层域名称服务器搜寻,顶层域名服务器再向主
机名称中指定的二层域名服务器搜寻,依次下去,一直到要解析的名称全部解析
完毕。
能完全解析主机名称的第一台服务器将解析出的IP 地址报告给客户机。下面我们以一个具体的实例来进一步说明域名解析过程。假设因特网上的一台主机H 通过URL 地址“http://www.wz.zj.cn”访问“温州热线”的主页,那么该主机的浏览器进程将会调用本机上的解析器以来完成解析“www.wz.zj.cn ”主机IP 地址的工作。主机H 上的解析器将关于“www.wz.zj.cn ”的解析请求发给该主机所连接的ISP 的域名服务器,ISP 的域名服务器查找它的DNS 数据库文件中是否有关于“www.wz.zj.cn ”的数据,如果有,直接向主机H 返回相应的记录;如果没有,则ISP 的域名服务器向根服务器发送请求“.cn 由谁来解析?”的请求,根服务器将“.cn ”顶级域名服务器的IP 地址返回给ISP 的域名服务器,ISP 的域名服务器再向“.cn ”顶级域名服务器发送请求“zj.cn 域由谁来解析?”的请求,“.cn ”顶级域名服务器根据子域“zj.cn ”所对应的域名服务器记录向ISP 的域名服务器传回“zj.cn 域由dns.zj.cn (218.244.47.45)来解析”的应答,ISP 的域名服务器再向域名服务器“dns.zj.cn ”发送请求“wz.zj.cn 域的由谁来解析?”的请求,域名服务器“dns.zj.cn ”根据“wz.zj.cn ”所对应的域名服务器记录向ISP 的域名服务器传回“wz.zj.cn 域由wzdns1.wz.zj.cn (61.153.177.196)来解析”的应答,ISP 的域名服务器根据传回的域名服务器参数向域名服务器“wzdns1.wz.zj.cn ”发送请求“www.wz.zj.cn 的IP 地址是什么?”的请求,域名服务器“wzdns1.wz.zj.cn ”向ISP 的域名服务器传www.wz.zj.cn 的IP 地址为“202.96.106.6”的应答,ISP 的域名服务器将这个参数写入本地的DNS 缓存(Cache)中,并向主机H 传回此IP 地址。
除了将域名解析为IP 地址外,系统有时候还需要将IP 地址解析为域名。例如,当一台远程主机以IP 地址方式连接到本地主机时,本地主机为了确认对方的合法性(如防止对方假冒),就可以通过域名反查的方式来判断对方主机的真实性,这种由IP 地址解析为域名的过程被称为逆向解析。这时就需要名为in-addr.arpa 的逆向域(reverse domains),该域内的条目是按IP 地址组织的,用于IP 到域名的反向解析。
域名和IP 地址的映射关系在DNS 服务器中以DNS 数据库的形式存在,该数据库又被称为DNS 的资源记录(resource record)。图9.3给出了一个DNS 数据库的示例。DNS 库中的每一条资源记录共有5个字段,其数据格式形如“Domain_name Time_to_live Type Class Value”,其中:
Domain_name(域名):指出这条记录所指向的域。通常,每个域有许多记录。 Time_to_live(生存时间):指出记录的稳定性。高度稳定的信息被赋予一个很大的
值,变化很大的信息被赋予一个较小的值。
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Type (类型):指出记录的类型。表9.2列出了一些重要的资源记录类型。
Class (类别):对于Internet 信息,它总是IN 。对于非Internet 信息,则使用其他
代码。
Value (值):这个字段可以是数字、域名或ASCII 串,其语义基于记录类型。
表9.2 DNS资源记录类型 类型
SOA 意义

认证开始记录。提供了关于名字服务器区域(Zone )
的主要信息资源的名字。定义了DNS 区域的一般参数,
包括哪个服务器是该区域的认证服务器
主机记录或地址记录,用于把一个主机名与该主机的
IP 地址静态的关联起来
名字服务器记录,给出一个域的名称服务器,使得其
他名称服务器可以查找这个域中的名称。
别名记录,其使得用户可以使用指向单个主机地址的
多个名称
邮件交换记录,用以告诉用户哪个服务器可以接受传
入这个域的邮件。
指针记录。其使得“反向解析”得以实现,即DNS 服
务器可以给出与一个特定IP 地址关联的“完全限定域
名”
文本 值 该区域的参数 A NS CNAME MX PTR 32比特整数 本域的服务器名 域名 优先权和接收电子邮件的域名 IP 地址的域名 TXT 未解释的ASCII 文本
图9.3 DNS数据库的示例
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9.3 Web服务
万维网WWW(World Wide Web)是因特网上发展最快同时又使用最多的一项服务,它可以提供包括文本、图形、声音和视频等在内的多媒体信息的浏览。
万维网起源于1989年欧洲粒子物理研究室CERN 。其目的是收集时刻变化的报告、蓝图、绘制图、照片和其他文献。链接文档的万维网Web 的最初计划是由CERN 的物理学家Tim Berners-Lee于1989年3月提出的,第一个原型(基于文本的)于18个月后运行。1991年12月在德克萨斯州的San Antonio 91超文本会议上进行了一次公开演示,次年继续发展,并于1993年2月,在第一个图形界面Mosaic 的发布时达到了其发展的高峰,现在WWW 已经成为因特网上不可缺少的主流应用。
9.3.1Web 的基本概念
WWW 由遍布在因特网中的被称为WWW 服务器(又称为Web 服务器)的计算机组成,是一个容纳各种类型信息的集合。从用户的角度看,Web 由庞大的、世界范围的文档集合而成,简称为页面(page )。页面具有严格的格式,页面是用超文本标识语言HTML (Hyper Text Markup Language)写成的,存放在Web 服务器上。每一页面可以包含到世界上任何地方的其他相关页面的超链接(Hyperlink ),这种能够指向其他页面的页被称为超文本(Hypertext )。
用户使用浏览器总是从访问某个主页(Homepage )开始的。由于页面中可能包含了超链接,所以用户可以跟随超链接到它所指向的其他页面,并且这一过程可以被无限制的重复。通过这种方法用户可浏览到大量的相互链接的信息。下面我们来介绍一下WWW 中常用的一些术语。
1) 超文本标记语言(HTML )
HTML 是ISO 标准8879-标准通用标识语言SGML (Standard Generalized Markup Language )在万维网上的应用。所谓标识语言就是格式化的语言,存在于WWW 服务上的页,就是由HTML 描述的。它使用一些约定的标记对WWW上各种信息(包括文字、声音、图形、图像、视频等)、格式以及超级链接进行描述。当用户浏览WWW上的信息时,浏览器会自动解释这些标记的含义,并将其显示为用户在屏幕上所看到的网页。
一个HTML 文本包括文件头(Head)、文件(Body)主体两部分。其结构如下所示:
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其中,表示页的开始,表示页结束;它们是成对使用的。
表示头开始,表示头结束;表示主体开始,表示主体结束,它们之间的内容才会在浏览器的正文中显示出来。HMTL 的标识符有很多,有兴趣的同学可以查看有关网页制作方法的书籍。2) 超文本传输协议(HTTP )
超文本传输协议HTTP (Hypertext Transfer protocol)是用来在浏览器和WWW 服务器之间传送超文本的协议。HTTP 协议是一种面向对象的协议,它由两部分组成:从浏览器到服务器的请求集和从服务器到浏览器的应答集。为了保证WWW 客户机与WWW 服务器之间通信不会产生二义性,HTTP 精确定义了请求报文和响应报文的格式。HTTP 会话过程包括连接、请求、应答和关闭四个步骤,如图9.4所示。

服务器客户端
图9.4 HTTP会话过程
3) 统一资源定位器URL
我们已经知道WWW 是以页面的形式来组织信息的。那么怎样来识别不同的页面,怎样才能知道页面在哪个位置,以及如何访问页面呢?为了解决这个问题,WWW 采用了统一资源定位器URL (Uniform Resource Locator)的方法。
URL 是在因特网上唯一确定资源位置的方法,其基本格式为:
协议://主机域名/资源文件名
其中,“协议(protocol )”用来指明资源类型,除了WWW 用的HTTP 协议之外,还可以是FTP 、TELNET 等协议;“主机域名”表示资源所在机器的DNS 名字;“资源文件名”用以提出资源在所在机器上的位置,包含路径和文件名,通常形为“目录名/子目录名/文件名”, 也可以不含有路径。例如,温州大学的WWW 主页的URL 就表示为“http ://www.wzu.edu.cn/index.php”。
在输入URL 时,协议和主机域名不分字母的大小写,但目录和文件名则可能区分字母的大小写。这是因为大多数服务器安装了UNIX 操作系统,而UNIX 的文件系统是区分文件名的大小写的。
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9.3.2WWW 服务的实现过程
WWW以客户机/服务器(Client/server)的模式进行工作。运行WWW 服务器程序并提供WWW 服务的机器被称为WWW 服务器;在客户端,用户通过一个被称为浏览器(browser )的交互式程序来获得WWW 服务。常用到的浏览器有Mosaic 、Netscape 和Internet explorer 等。
在服务器端,对于每个WWW 服务器站点,都有一个关于TCP 的80端口的监听(注:80为HTTP 缺省的TCP 端口) ,看是否有从客户端(通常是浏览器)过来的连接。在客户端,当浏览器在其地址栏里输入一个URL 或者单击WEB 页上的一个超链接时,WEB 浏览器就要通过解析器对域名进行解析以获得相应的IP 地址。然后,以该IP 地址为目标地址,以HTTP 所对应的TCP 端口为源端口与服务器建立一个TCP 连接。连接建立之后,客户端的浏览器使用HTTP 协议中的“GET ”功能向WWW 服务器发出指定的WWW 页面请求,服务器收到该请求后将根据客户端所要求的路径和文件名使用HTTP 协议中的“PUT ”功能将相应HTML 文档回送到客户端,如果客户端没有指明相应的文件名,则由服务器返回一个缺省的HTML 页面。页面传送完毕后,中止相应的TCP 连接。
下面我们以一个具体的例子来Web 服务的实现过程。假设有用户要访问温州大学主页 http://www.wzu.edu.cn/index.php,则浏览器与服务器的信息交互过程如下:
1) 浏览器确定URL 。
2) 浏览器向DNS 获取web 服务器www.wzu.edu.cn 的IP 地址。
3) DNS服务器以相应的IP 地址218.75.16.107应答。
4) 浏览器和IP 地址为218.75.16.107的主机的80端口建立一条TCP 连接。;
5) 浏览器执行HTTP 协议,发送GET “/index.php”命令,请求读取该文件。
6) www.wzu.edu.cn服务器返回“/index.php”文件到客户端。
7) 释放TCP 连接。
8) 浏览器显示“/index.php”中的所有正文和图像。
自WWW 服务问世以来,其已取代电子邮件服务成为因特网上最为广泛的服务。除了普通的页面浏览外,WWW 服务中的浏览器/服务器(brower/server,简称B/S)模式还取代了传统的C/S模式,被广泛用于网络数据库应用开发中。
9.4 E-mail服务
电子邮件(Electronic Mail,简称E-mail )是因特网上最受欢迎也最为广泛的应用之一。电子邮件服务Email 是一种通过计算机网络与其它用户进行联系的快速、简便、高效、廉价的现代化通信手段。电子邮件之所以受到广大用户的喜爱,是因为与传统通信方式相比,其具有以下明显的优点:
成本低。与传统的邮件系统相比,电子邮件费用很低。传统的国内特快递需20元
人民币,国际快递则更贵,而通过电子邮件将信件发送外国外,可能只需付几分
钱的上网费。
,232《计算机网络技术》
速度快。电子邮件一般只需几秒钟就可以到达目的地,远比人工邮件传递速度要
迅速。而且比较可靠;
安全与可靠性高。使用电子邮件不必担心损坏,传统的邮件在投递过程中,有可
能信件被损坏,而使用电子邮件则不必担心这一点;
可达到范围广。电子邮件可以到达因特网可达的任何地方;并且可以实现一对多
的邮件传送,即可以一次同时向多人发出多个内容相同的邮件。
内容表达形式多样。电子邮件可以将文字,图像,语音等多种类型的信息集成在
一个邮件中传送,因此它成为多媒体信息传送的重要手段。
那么电子邮件是如何通过网络被发送和接收出去的呢?首先电子邮件要有自己规范的格式,就好比我们使用普通的邮政系统要遵循标准的邮件格式一样。
电子邮件的格式由信封和内容两大部分,即邮件头(header )和邮件主体(body )两部分。邮件头包括收信人的E-mail 地址、发信人的E-mail 地址、发送日期、标题和发送优先级等,其中,前两项是必选的。邮件主体才是发件人和收件人要处理的内容,早期的电子邮件系统只能传递文本信息,而通过使用多用途因特网邮件扩展协议MIME (Multipurpose Internet Mail Extensions),现在还可以发送语音,图像和视频等信息。对于E-mail 主体不存在格式上的统一要求,但对信封即邮件头有严格的格式要求,尤其是E-mail 地址。
E-mail 地址的标准格式为:<用户名>@主机域名。其中,用户名指用户在某个邮件服务器上注册的用户标识,相当于是他的一个私人邮箱,用户名通常由用户自行选定,但在同一个邮件服务器上必须是惟一的;@为分隔符,我们一般把它读为英文的“at ”;主机域名是指信箱所在的邮件服务器的域名。例如zcr@mail.wzu.edu.cn,表示在温州大学的邮件服务器上的用户名为ZCR 的用户信箱。
有了标准的电子邮件格式外,电子邮件的发送与接收还要依托由用户代理、邮件服务器和邮件协议组成的电子邮件系统。图9.5给出了电子邮件系统的简单示意图。


SMTP
图9.5 电子邮件系统的组成
其中,用户代理运行在客户机上的一个本地程序,它提供命令行方式、菜单方式或图形方式的界面来与电子邮件系统交互,允许人们读取和发送电子邮件,如outlook express或hotmail 等。邮件服务器包括邮件发送服务器和邮件接收服务器。顾名思义,所谓邮件发送服务器是指为用户提供邮件发送功能的邮件服务器,如图中的SMTP 服务器;而邮件接收服务器是指为用户提供邮件接收功能的邮件服务器,如图中的POP3服务器。用户在发送邮件时,要使用邮件发送协议,常见的邮件发送协议有简单邮件传输协议SMTP (simple mail transter protocol)和MIME 协议,前者只能传输文本信息,后者则可以传输包括文本、声音、图象等在内的多媒体信息。当用户代理向电子邮件发送服务器发送电子邮件时或邮件发送