计算机网络（二）：应用层

应用层协议原理

网络应用程序体系结构

1、客户 - 服务器体系架构（client-server architecture）

• 服务器主机总是打开，接收客户主机请求

• 客户之间不相互通信

2、P2P 体系结构

• 对数据中心的专用服务器仅有最小依赖

• 标识：发起通信为客户，等待联系为服务器

• 间断连接的主机间使用直接通信

  • 这样的一组主机称对等方

• 自扩展性 self-scalability

  • 向对等方发送文件
  • 请求产生工作负载，但也为系统增加服务能力

进程通信

1、进程 process

• def：运行在端系统的一个程序

• 通信进程对：每对两个进程互相发送报文

• 进程寻址的要求

  • 主机地址
  • 目的主机需指定接收进程的标识符

2、套接字 socket：向网络发送 / 接收报文的软件接口

3、应用程序编程接口 API

• 建立网络应用程序的可编程接口

• 运输层的控制

  • 选择运输层协议
  • 部分运输层参数

可供应用程序使用的运输服务

1、可靠数据传输：正确、完全地交付数据

2、吞吐量

• 带宽敏感 / 弹性应用

3、定时保证

• 交互式实时应用

4、安全性

因特网提供的运输服务

1、TCP 服务

• 面向连接：流动前互换运输层控制信息，结束后拆除连接

• 可靠数据传送：无差错、按适当顺序交付

• 拥塞控制

• 无加密机制

  • 改进：* 安全套接字层（Secure Socket Layer，SSL）

2、UDP 服务

• 轻量级，仅提供最小服务

• 不可靠数据传送：不保证到达、可乱序

• 可选定数据的传输速率

• 无加密机制

应用层协议

1、RFC（Request For Comments）文档：一系列以编号排定的文件

• 位于公共域中

• 收录几乎所有互联网标准

2、超文本传输协议 HTTP

3、简单邮件传输协议 SMTP

HyperText Transfer Protocol

1、超文本传输协议 HTTP

• 定义报文的结构和客户、服务器进行报文交换的方式

• 实现：一个客户程序和一个服务器程序（P65）

• 支撑运输协议：TCP

• 无状态协议 stateless protocol：不保存关于客户的任何信息

2、连接方式

• 非持续连接 non-persistent connection

  • 请求 / 响应经一单独 TCP 连接发送
  • 为每个请求对象建立和维护一个全新连接
  • 三次握手：发送确认 RTT - 返回确认 RTT - 传输
    • 往返时间 Round-Trip Time，RTT

• 持续连接（默认）

  • 请求 / 响应经相同的 TCP 连接发送
  • 带流水线（默认）：对对象的请求可依次发出，不必等待未决请求

3、报文格式

请求报文（P68，CR 回车，LF 换行）

• 组成：

  • 第一行称请求行 request line
    • 三个部分：方法字段 URL 字段 HTTP 字段
  • 后继行称首部行 header line
  • 实体体 entity body：POST 方法使用

• 方法字段：GET POST HEAD PUT DELETE

  • GET：请求对象、提交表单（HTML 表单）
  • POST：提交表单
  • HEAD：响应请求，但不返回对象
    • * 试跟踪
  • PUT：常与 Web 发行工具共用，上传对象到指定 Web 服务器指定路径
  • DELETE：允许删除 Web 服务器上对象

响应报文（P69）

• 组成

  • 状态行 status line
    • 三个部分：协议版本字段 状态码 相应状态信息
  • 首部行和实体体

• 常见状态码：200 OK；301 请求对象已经永久转移；400/404；505 不支持的 HTTP 协议版本

4、Cookie

• 组成

  • 响应报文中的一个 cookie 首部行
  • 请求报文中的一个 cookie 首部行
  • 用户端系统保留的一个 cookie 文件
  • 位于 Web 站点的一个后端数据库

• 识别码 Set-cookie：用于标识一个用户

  • * 用户隐私侵害

5、Web 缓存

• Web 缓存器 Web Cache / 代理服务器 proxy server

  • 配置后的浏览器请求被定向至代理服务器
  • 发送给用户服务器的是保存的一份副本
  • 从整体上大大降低因特网的流量

• 内容分发网络 Content Distribution Network，CDN：使大量流量实现本地化

• 条件 Get 方法：执行最新检查

  • If-Modified-Since = Last-Modified -> 304 Not Modified

因特网电子邮件

1、组成：用户代理（user agent）邮件服务器（mail server）简单邮件传输协议（SMTP）

2、支撑应用层服务：TCP

3、SMTP

• 因特网电子邮件的核心

• 仅能采用简单的 7 比特 ASCII 表示

• 传送多谋体数据编码需先转码

• 无存留：一般不使用中间邮件服务器

• 使用持续连接

对比 HTTP

• HTTP 不需要对多谋体数据编码转码

• HTTP 是拉协议（pull protocol）而 SMTP 基本上是推协议（push protocol）

• HTTP 封装对象，SMTP 将所有对象存放在一个报文中

4、邮件报文格式

• 首部：From To （Subject，其他可选首部行）

• 一个空白行

• 报文体（ASCII 格式）

5、邮件访问协议

• 第三版的邮局协议 Post Office Protocol - Version 3，POP3

  • 三个工作阶段
    • 特许（authorization）：明文发送用户名和口令以鉴别用户
    • 事务处理：取回报文；标记 / 删除报文标记、获取邮件统计信息（可选）
    • 更新：在 quit 命令发出后结束会话
  • 下载方式：下载并删除（不同机器不可读） / 下载并保留（可多端查看）
  • 优点：会话中不包含状态信息，大大简化了服务的实现

• 因特网邮件访问协议 Internet Mail Access Protocol，IMAP

  • 实现访问远程服务器文件夹
  • 维护用户状态信息
  • 允许用户代理获取报文的某些指定部分（灵活）
  • 用户 -> 邮件服务器：HTTP 邮件服务器 -> 邮件服务器：SMTP

DNS

提供服务

• 核心：主机名 ->IP 名转换的目录服务

• 提供主机别名（host aliasing）：此时原名称称规范主机名（canonical hostname）

• 邮件服务器别名

• 负载分配（load distribution）：每个回答循环响应，在冗余的 Web 服务器间分配负载

工作机理

1、实现

• 一个分层的 DNS 服务器实现的分布式数据库

• 使主机可查询数据库的应用层协议

2、支撑应用层服务：UDP（53 号端口）

3、分布式、层次数据库

• 集中式的弊端

  • 单点故障
  • 通信容量（traffic volume）
  • 远距离的集中式数据库
  • 维护

• 服务器类型（P87）

  • 根 DNS 服务器：提供 TLD 服务器的 IP 地址
  • 顶级域服务器 TLD：提供权威 DNS 服务器的 IP 地址
  • 权威 DNS 服务器：提供公共可访问的 DNS 记录
  • 本地 DNS 服务器

• 查询方式：主机 -> 服务器递归查询，其余均为迭代查询

4、DNS 缓存

• 将映射缓存在本地存储器中

• 可绕过根服务器：存在缓存，立即返回 IP 地址

• 一段时间丢弃信息（默认：两天）

DNS 记录和报文

1、资源记录 Resource Record，RR

• 提供主机名到 IP 地址的映射

• 格式：（Name，Value，Type，TTL）

  • TTL：记录的生存时间

2、Type 的不同类型

• Type：A

  • Name：主机名
  • Value：主机名对应 IP 地址

• Type：NS

  • Name：个域
  • Value：可提供主机 IP 地址的权威 DNS 服务器主机名

• Type：CNAME

  • Name：别名为 Name 的主机名称
  • Value：该主机的规范主机名

• Type：MX

  • Name：别名为 Name 的服务器主机名称
  • Value：该服务器主机的规范主机名

3、报文格式（P90）

• 首部区域（12 字节）：标识符 标志 问题数 回答 / 权威 / 附加 RR 数

• 问题区域：名字 类型

• 权威区域

• 附加区域

4、插入记录：注册登记机构（registrar）验证域名唯一性，输入 DNS 数据库

*5、DNS 的健壮性

P2P 文件分发

1、def：成对间歇的主机（对等方）彼此直接通信

2、最小分发时间：

$$D_{P2P}=max\{\frac{F}{u_s},\frac{F}{d_{min}},\frac{NF}{u_s+{\sum_{r=1}^n}}\}$$

3、Bittorrent

• 洪流 torrent：参与一个特定文件分发的所有对等方的集合

• 块 chunk：典型（256kb）等长文件块

• 加入过程：向追踪器注册 - 周期性通知仍在洪流中

• 最稀缺优先 rarest first：优先请求那些邻居中副本数量最少的块，以均衡每个洪流的副本数量

• 疏通 unchoked：一个时间间隔后重新计算最高速率并修改对等方集合，保证最高速率

• * 分布式散列表 DHT：分布在多个对等方的简单数据库

视频流和内容分发网 CDN

1、压缩比特率，提高图像质量

2、流式视频的重要衡量：avg 端到端时延

3、DASH：经 HTTP 的动态适应流

• 告示文件（manifest file）提供比特率和 URL

• 速率决定算法选择后继请求块

4、CDN

• 分类：专用 CDN 第三方 CDN

• 服务器安置原则

  • 深入：靠近端用户，改善时延和吞吐量
  • 邀请做客：邀请到放置在 IXP 的集群，降低维护和管理开销

• 机制：截获 重定向

• * 实时测量

• 案例：油管 Netflix 迅雷

套接字编程

1、分类：协议标准定义 或 专用网络的网络应用程序

2、UDP 套接字

• 过程：键入，发送数据至服务器 - 转换报文，发送给客户 - 客户端监视器显示

• 需显式创建分组并附上目的地址

3、TCP 套接字

• 欢迎套接字和连接套接字

• 仅需将数据放入 TCP 连接