应用层(上)

应用层

1.网络应用的体系结构

​ 网络应用：百度、QQ、email、迅雷、支付宝、微信、百度云、淘宝网、网易。

体系结构：

（1）客户机/服务器结构（Client-Server，C/S）

​ 服务器：

​ 7*24小时提供服务

​ 永久性访问地址/域名

​ 利用大量服务器实现可扩展性

​ 客户机：

​ 与服务器通信，使用服务器提供的服务

​ 间歇性的接入网络

​ 可能使用动态IP地址

​ 不会与其他客户机直接通信

​ 例子：Web

    	![image.png](https://i.loli.net/2021/11/12/Wyd5468XE97D3vS.png)

（2）点对点结构（Peer-to-peer，P2P）

​ 没有永远在线的服务器

​ 任意端系统/节点之间可以直接通讯

​ 节点间歇性接入网络，可能改变IP地址

​ 优点：高度可伸缩； 缺点：难于管理

（3）混合结构（Hybrid）

​ 利用前两者的优点，规避两者的缺点。

​ Napster：文件传输使用P2P结构；文件的搜索采用C/S结构——集中式

​

网络应用进程通信：

​ 网络应用的基础：进程间的通信

​ 进程：主机上运行的程序

​ 同一主机的进程之间的通信方式：进程间通信机制，操作系统提供。不同主机：消息交换（报文交换）

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​ 客户机进程：发起通信的进程

​ 服务器进程：等待通信请求的进程

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套接字：Socket

进程间通信利用socket发送/接收消息实现

​ 类似于寄信：

​ 发送方将消息送到门外邮箱

​ 发送方依赖（门外的）传输基础设施将消息传到接收方所在的主机，并送到接收方的门外

​ 接收方从门外获取消息

​ 传输基础设施向进程提供API:

​ 传输协议的选择；参数的设置

如何寻址进程

不同主机上的进程间通信，每个进程必须拥有标识符

如何寻址主机——IP地址

Q：主机的IP地址是否足以定位进程？

A：否。同一主机上可能同时有多个进程需要通信。

端口号/Port number

• 为主机上每个需要通信的进程分配一个端口号

• HTTP Server：80

• Mail Server：25

  进程的标识符=IP地址+端口号

应用层协议

网络应用需要遵顼应用层协议

公开协议：

​ 由RFC（Request For Comments）定义

​ 允许互操作

​ HTTP、SMTP……

私有协议：

​ 多数P2P文件共享应用

协议内容

消息的类型：请求消息、响应消息。

消息的语法（Syntax）/格式：消息中有哪些字段（field）、字段如何描述

字段的语义（semantics）：字段中信息的含义

规则（rules）：进程何时发送/响应消息

2.网络应用的服务需求

数据丢失（data loss）/可靠性（reliability）

• ​ 某些网络应用能够容忍一定的数据丢失：网络电话
• ​ 某些网络应用要求100%可靠的数据传输：文件传输，telnet

时间（timing）/延迟（delay）

• ​ 有些应用只有在延迟足够低时才“有效”
• ​ 网络电话/网络游戏

带宽（bandwith）

• 某些应用只有在带宽达到最低要求时才“有效”：网络视频
• 某些应用能够适应任何带宽——弹性应用：email

典型网络应用对传输服务的需求：

3.Internet传输层服务模型

Internet提供的传输服务

典型网络应用所使用的传输层服务

4.特定网络应用及协议

Web应用

关于Web

World Wide Web:Tim Berners-Lee

• 网页
• 网页互相链接

网页（Web Page）包含多个对象（objects）

• ​ 对象：HTML文件、JPEG图片、视频文件、动态脚本等
• ​ 基本HTML文件：包含对其他对象引用的链接

对象的寻址（addressing）

URL（Uniform Resoure Locator）：统一资源定位器

Scheme：//host：port/path

HTTP

HTTP协议：万维网应用遵循超文本传输协议（HyperText Transfer Protocol）

C/S结构

• 客户——Browser：请求、接收、展示Web对象
• 服务器——Web Server：响应客户的请求，发送对象。（Apache Web Server）

HTTP版本：1.0：RFC1945，1.1：RFC2068

使用TCP传输服务：

• 服务器在80端口等待客户的请求
• 浏览器发起到服务器的TCP连接（创建套接字Socket）
• 服务器接受来自浏览器的TCP连接
• 浏览器（HTTP客户端）与Web服务器（HTTP服务器）交换HTTP消息
• 关闭TCP连接

无状态（stateless）：服务器不维护任何有关客户端过去所发请求的信息

有状态的协议更复杂：需要维护状态（历史信息）、如果客户或服务器失效，会产生状态的不一致，解决这种问题代价高

HTTP连接

非持久性连接（Nonpersistent HTTP）：每个TCP连接最多允许传输一个对象；HTTP 1.0版本使用非持久性连接。

响应时间分析与建模

RTT（Round Trip Time）：从客户端发送一个很小的数据包到服务器并返回所经历的时间

响应时间（Response time）

​ 发起、建立TCP连接：1个RTT

​ 发送HTTP请求消息到HTTP响应消息的前几个字节到达：1个RTT

​ 响应消息中所含文件/对象传输时间

​ Total = 2RTT + 文件发送时间

​

非持久性连接存在一些问题：

​ 每个对象需要2个RTT

​ 操作系统需要为每个TCP连接开销资源（overhead）

​

• 持久性连接（persistent HTTP）：每个TCP连接最多允许传输多个对象；HTTP 1.1版本默认使用持久性连接

发送响应后，服务器保持TCP连接的打开

后续的HTTP消息可以通过这个连接发送

• 无流水（pipelining）的持久性连接
  • 客户端只有收到前一个响应后才发送新的请求
  • 每个被引用的对象耗时1个RTT
• 带有流水机制的持久性连接
  • HTTP 1.1的默认选项
  • 客户端只要遇到一个引用对象就尽快发出请求
  • 理想请求下，收到所有的引用对象只需耗时约1个RTT

HTTP消息格式

• 请求消息
  • ASCII码：人直接可读

上传输入的方法：

​ POST方法：网页经常需要填写表格（form）/在请求消息的消息体（entity body）中上传客户端的输入

​ URL方法：使用GET方法/输入信息通过request行的URL字段上传

• 响应消息

Cookie技术

HTTP协议无状态，很多应用需要服务器掌握客户端的状态，如：网上购物

• 某些网站为了辨别用户身份、进行session跟踪而储存在用户本地终端上的数据（通常经过加密）。

Cookie的组件

• HTTP响应消息的cookie头部行
• HTTP请求消息的cookie头部行
• 保存在客户端主机上的cookie文件，由浏览器管理
• Web服务器端的后台数据

Cookie的原理

Cookie的作用

• 身份认证
• 购物车
• 推荐
• Web e-mail ……

Cookie技术存在一定的隐私问题

Web缓存/代理服务器技术

​ 功能：在不访问服务器的前提下满足客户端的HTTP请求

为什么要发明这种技术？

• 缩短客户请求的响应时间
• 减少机构。组织的流量
• 在大范围内(Internet)实现有效的内容分发

关于该技术

• 用户设定浏览器通过缓存进行Web访问

• 浏览器向缓存/代理服务器发送所有的HTTP请求

  • 如果所请求对象在缓存中，缓存返回对象
  • 否则，缓存服务器向原始服务器发送HTTP请求，获取对象，然后返回给客户端并保存该对象

缓存既充当客户端，也充当服务器

一般由ISP(Internet服务提供商)假设

条件性GET方法

Email应用

构成组件

• 邮件客户端（user agent）
• 邮件服务器
• SMTP协议（Simple Mail Transfer Protocol）

邮件客户端

• 读、写Email消息
• 与服务器交互，收、发Email消息
• Outlook，Foxmail，Thunderbird
• Web客户端

邮件服务器

• 邮箱：存储发给该用户的Email
• 消息队列（message queue）：存储等待发送的Email

SMTP协议

• 邮件服务器之间传递消息所使用的协议
• 客户端：发送消息的服务器
• 服务器：接受消息的服务器

采取TCP进行email消息的可靠传输

端口25

传输过程的三个阶段：握手->消息的传输->关闭

命令/响应交互模式：

命令（command）：ASCII文本

响应（response）：状态代码和语句

Email消息只能包含7位ASCII码

• 使用持久性连接
• 消息必须由7位ASCII码构成
• SMTP服务器利用CRLF.CRLF确定消息的结束

SMTP vs HTTP

SMTP：退式（push） HTTP：拉式（pull）

都使用命令/响应交互模式

命令和状态代码都是ASCII码

HTTP：每个对象封装在独立的响应消息中

SMTP：多个对象在由多个部分构成的消息中发送

消息格式

多媒体扩展

邮件访问协议：从服务器获取邮件

POP：Post Office Protocol

• 认证/授权（客户端<–>服务器）和下载
• ……

IMAP：Internet Mail Access Protocol

HTTP：163，QQ Mail等

DNS应用

DNS（Domain Name System）：解决Internet上主机/路由器的识别问题

• IP地址
• 域名：www.baidu.com

如何解决域名和IP地址之间的映射？

• 域名解析系统DNS
  • 多层命名服务器构成的分布式数据库
  • 应用层协议：完成名字的解析
    • internet核心功能，用应用层协议实现
    • 网络边界复杂

DNS服务

• 域名向IP地址的翻译
• 主机别名
• 邮件服务器别名
• 负载均衡：Web服务器

为什么不适应集中式的DNS？

• 单点失败问题
• 流量问题
• 距离问题
• 维护性问题

分布式层次式数据库

本地域名解析服务器：

• 不严格属于层级体系
• 每个ISP有一个本地域名服务器
  • 默认域名解析服务器
• 当主机进行DNS查询时，查询被发送到本地域名服务器
  • 作为代理（proxy），将查询转发给（层级式）域名服务器解析系统

DNS记录缓存和更新

• 只要域名解析服务器获得域名—IP映射，即缓存这一映射
  • 一段时间过后，缓存条目失效（删除）
  • 本地域名服务器一般会缓存顶级域名服务器的映射
    • 因此根域名服务器不会被经常访问

DNS记录和消息格式

DNS协议

• 查询（query）和回复（reply）消息
• 消息格式相同