第二章 應(yīng)用層

應(yīng)用層協(xié)議原理

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序體系結(jié)構(gòu)

• 客戶機(jī)/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)：至少有一個(gè)服務(wù)器，一個(gè)客戶機(jī)，其中服務(wù)器總是打開(kāi)的，具有固定的眾所周知的IP地址，主機(jī)群集常被用于創(chuàng)建強(qiáng)大的虛擬服務(wù)器，而客戶機(jī)向服務(wù)器端進(jìn)行通信，可以間斷的同服務(wù)器連接，可以擁有動(dòng)態(tài)的IP地址，客戶機(jī)相互之間不直接通信
• P2P體系結(jié)構(gòu)：沒(méi)有總是打開(kāi)的服務(wù)器，任意一對(duì)主機(jī)直接相互通信，對(duì)等方間歇連接并且可以改變IP地址
  • 優(yōu)點(diǎn)：自擴(kuò)展性
  • 缺點(diǎn)：難以管理
• 客戶機(jī)/服務(wù)器和P2P混合的體系結(jié)構(gòu)：文件直接在對(duì)等方之間交換，文件搜索通過(guò)服務(wù)器，中心服務(wù)器記錄對(duì)等方內(nèi)容，對(duì)等方查詢中心服務(wù)器來(lái)決定要求文件位置，兩個(gè)聊天用戶之間是P2P，注冊(cè)查詢時(shí)通過(guò)服務(wù)器，用戶上線時(shí)要在中心服務(wù)器上進(jìn)行注冊(cè)，用戶與中心服務(wù)器聯(lián)系以找出在線小伙伴，git配合上共享服務(wù)器就能實(shí)現(xiàn)該種方式

進(jìn)程通信

• 進(jìn)程：運(yùn)行在端系統(tǒng)中的程序
• 同一主機(jī)上的兩個(gè)進(jìn)程通過(guò)內(nèi)部進(jìn)程通信機(jī)制進(jìn)行通信
• 不同主機(jī)上的進(jìn)程通過(guò)交換報(bào)文相互通信
  • 客戶進(jìn)程: 發(fā)起通信的進(jìn)程
  • 服務(wù)器進(jìn)程: 等待聯(lián)系的進(jìn)程
• 尋址通過(guò)IP地址和端口號(hào)

注意：具有P2P體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用程序既有客戶進(jìn)程和服務(wù)器進(jìn)程。

應(yīng)用層協(xié)議

• 交換的報(bào)文類型，如請(qǐng)求報(bào)文和應(yīng)答報(bào)文
• 報(bào)文類型的語(yǔ)法：報(bào)文中的各個(gè)字段及其詳細(xì)描述
• 字段的語(yǔ)義，即包含在字段中的信息的含義
• 進(jìn)程何時(shí)、如何發(fā)送報(bào)文及對(duì)報(bào)文進(jìn)行響應(yīng)

因特網(wǎng)傳輸協(xié)議提供的服務(wù)

• TCP服務(wù)

  • 面向連接的服務(wù)：在客戶機(jī)程序和服務(wù)器程序之間必須建立連接
  • 可靠的傳輸服務(wù)：接收和發(fā)送進(jìn)程間，數(shù)據(jù)是可靠的
  • 流量控制：發(fā)送方不會(huì)淹沒(méi)接收方
  • 擁塞控制：網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí)抑制發(fā)送進(jìn)程
  • 沒(méi)有提供：時(shí)延保證，最小帶寬保證

• UDP服務(wù)

  • 無(wú)連接服務(wù)
  • 不可靠數(shù)據(jù)傳輸
  • 沒(méi)有提供：建立連接，可靠性，流量控制，擁塞控制，時(shí)延和帶寬保證

面向連接是指：必須在建立連接之前確認(rèn)雙方鏈路可達(dá)，并已準(zhǔn)備好才開(kāi)始通信，提供了可靠或者不可靠的服務(wù)

無(wú)連接指：發(fā)送端在開(kāi)始通信前不去詢問(wèn)接收端是否可達(dá)和是否已準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，提供不可靠的服務(wù)

• TCP和UDP
  • 沒(méi)有加密
  • 網(wǎng)絡(luò)明文傳輸，如用戶名和口令信息等
• SSL【應(yīng)用層】
  • 提供加密的TCP連接
  • 保證數(shù)據(jù)完整性
  • 端點(diǎn)認(rèn)證
  • 應(yīng)用使用SSL庫(kù)調(diào)用TCP服務(wù)接口
  • SSL提供套接字API

Web應(yīng)用和Http協(xié)議

• 網(wǎng)頁(yè)（Web頁(yè)，或稱文檔）由許多對(duì)象組成。
• 對(duì)象就是文件，可以是HTML文件, JPEG圖像, Java applet, 音頻文件…
• 多數(shù)網(wǎng)頁(yè)由單個(gè)基本HTML文件和若干個(gè)所引用的對(duì)象構(gòu)成
• 每個(gè)對(duì)象被一個(gè)URL(Uniform Resource Locator統(tǒng)一資源定位符)尋址
  舉例URL:

• HTTP: 超文本傳輸協(xié)議（HyperText Transfer Protocol）

  • Web的應(yīng)用層協(xié)議
  • client/server模式
    • client: 瀏覽器browser請(qǐng)求, 接收, “解釋顯示” Web對(duì)象
    • server: Web服務(wù)器響應(yīng)請(qǐng)求,發(fā)送 Web對(duì)象
  • HTTP 1.0: RFC 1945
  • HTTP 1.1: RFC 2616

• 使用TCP:

  • 客戶初始化一個(gè)與HTTP服務(wù)器80端口的TCP連接 (創(chuàng)建套接字)
  • HTTP服務(wù)器接受來(lái)自客戶的TCP連接請(qǐng)求, 建立連接
  • Browser (HTTP client)和Web服務(wù)器 (HTTP server) 交換HTTP消息(應(yīng)用層協(xié)議消息)包括HTTP請(qǐng)求和響應(yīng)消息
  • 最后結(jié)束(或叫關(guān)閉)TCP連接

• HTTP是無(wú)狀態(tài)協(xié)議

• HTTP服務(wù)器不維護(hù)客戶先前的狀態(tài)信息

非持續(xù)連接和持續(xù)連接

• 非持久HTTP連接

  • 每個(gè)TCP連接上只傳送一個(gè)對(duì)象，下載多個(gè)對(duì)象需要建立多個(gè)TCP連接
  • HTTP/1.0使用的是非持久HTTP連接

• 持久HTTP連接

  • 一個(gè)TCP連接上可以傳送多個(gè)對(duì)象
  • HTTP/1.1默認(rèn)使用持久HTTP連接
  • 不帶流水的持久HTTP連接：客戶必須收到響應(yīng)才能繼續(xù)發(fā)送請(qǐng)求，也就說(shuō)多個(gè)資源之間不能夠并發(fā)
  • 帶流水的持久HTTP連接：客戶可以在收到響應(yīng)之前發(fā)送新的請(qǐng)求，多個(gè)請(qǐng)求可以同時(shí)發(fā)送，只需要一個(gè)RTT就能獲得所有資源

• 定義往返時(shí)間RTT(Round-Trip Time)：
  • 1個(gè)小分組從客戶主機(jī)到服務(wù)器再到客戶主機(jī)所花費(fèi)的時(shí)間
• 響應(yīng)時(shí)間:
  • 1個(gè)RTT用于建立TCP連接
  • 1個(gè)RTT用于HTTP請(qǐng)求/響應(yīng)消息的交互
  • html文件傳輸時(shí)間
• total = 2RTT+transmit time

HTTP/2

• 關(guān)鍵目標(biāo)：減少多對(duì)象HTTP請(qǐng)求的延遲
  • HTTP1.1：在單個(gè)TCP連接上引入了多個(gè)流水線GET
  • 服務(wù)器按順序響應(yīng)GET請(qǐng)求（FCFS: first-come-first-served scheduling）
  • 對(duì)于FCFS，小對(duì)象可能必須在大對(duì)象后面等待傳輸（ head-of-line (HOL) blocking, 線頭阻塞HOL）
  • 丟失恢復(fù)（重新傳輸丟失的TCP段）對(duì)對(duì)象傳輸時(shí)間的影響
  • HTTP/2:[RFC 7540，2015]增加了服務(wù)器向客戶端發(fā)送對(duì)象的靈活性
  • 方法、狀態(tài)代碼、大多數(shù)頭字段與HTTP1.1相比沒(méi)有變化
  • 基于客戶端指定的對(duì)象優(yōu)先級(jí)的請(qǐng)求對(duì)象的傳輸順序（不一定是FCFS）
  • 將未請(qǐng)求的對(duì)象推送到客戶端
  • 將對(duì)象劃分為框架，安排框架以減少HOL阻塞

• 普通TCP連接沒(méi)有安全性
• HTTP/3：通過(guò)UDP增加了安全性、每個(gè)對(duì)象的錯(cuò)誤和擁塞控制（更多的流水線操作）
• 關(guān)于傳輸層支持HTTP/3的更多信息: QUIC協(xié)議（Quick UDP Internet Connections）

HTTP報(bào)文格式

請(qǐng)求報(bào)文格式

請(qǐng)求方法類型

• GET
• POST
• HEAD
  • 服務(wù)器收到請(qǐng)求時(shí)，用HTTP報(bào)文進(jìn)行響應(yīng)，但不返回請(qǐng)求對(duì)象
• HTTP1.1
  • PUT
    • 文件在實(shí)體主體中被上載到URL字段指定的路徑
  • DELETE
    • 刪除URL字段指定的文件

響應(yīng)報(bào)文格式

HTTP 響應(yīng)的狀態(tài)碼

位于服務(wù)器響應(yīng)客戶的響應(yīng)消息的第一行
幾個(gè)常見(jiàn)的樣本狀態(tài)碼：

• 200：請(qǐng)求成功，所請(qǐng)求信息在響應(yīng)消息中返回
• 301：所請(qǐng)求的對(duì)象已永久遷移，新的URL在本響應(yīng)信息的頭部指出
• 400：該請(qǐng)求不能被服務(wù)器解讀
• 404：服務(wù)器不存在所請(qǐng)求文檔

Cookies

目的：提高用戶和服務(wù)的交互性

• cookie頭部行在HTTP請(qǐng)求消息中
• cookie頭部行在HTTP響應(yīng)消息中
• cookie文件保存在用戶主機(jī)中并被用戶瀏覽器管理
• cookie信息也保存在Web站點(diǎn)的后端數(shù)據(jù)庫(kù)中

cookies可以跟蹤用戶：例如虛擬購(gòu)物車，推薦廣告，身份認(rèn)證，用戶會(huì)話狀態(tài)

Web緩存

• 目標(biāo): 代表起始服務(wù)器滿足HTTP請(qǐng)求

• 用戶配置瀏覽器: Web 訪問(wèn)經(jīng)由緩存

• 所有HTTP請(qǐng)求指向緩存

  • 對(duì)象在緩存中：緩存器返回對(duì)象
  • 否則緩存器向起始服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求，接收對(duì)象后轉(zhuǎn)發(fā)給客戶機(jī)

• 減少對(duì)客戶機(jī)請(qǐng)求的響應(yīng)時(shí)間

• 減少內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與接入鏈路上的通信量

• 能從整體上大大降低因特網(wǎng)的Web流量

條件GET方法：

• 用于判斷緩存是否為最新的版本，在請(qǐng)求中包含if-modified-since:根據(jù)響應(yīng)報(bào)文的內(nèi)容判斷緩存是否為最新的
• 如果是最新的，響應(yīng)報(bào)文中不會(huì)含有請(qǐng)求的對(duì)象，會(huì)包含：HTTP/1.0 304Not Modified表示緩存是最新版本
• 如果修改過(guò)，則會(huì)返回正常請(qǐng)求的對(duì)象

文件傳輸協(xié)議：FTP

FTP：傳輸文件到遠(yuǎn)程主機(jī)/從遠(yuǎn)程主機(jī)下載文件，默認(rèn)端口號(hào)21

FTP的工作流程：

• 客戶首先發(fā)起建立一個(gè)與服務(wù)器21端口之間的TCP連接（控制連接）
• 客戶在控制連接上進(jìn)行身份認(rèn)證
• 客戶在控制連接上發(fā)送命令瀏覽遠(yuǎn)程主機(jī)目錄
• 當(dāng)服務(wù)器接收到一個(gè)文件傳輸命令時(shí)，他使用端口20創(chuàng)建一個(gè)與客戶的TCP數(shù)據(jù)連接
• 傳輸一個(gè)文件后，服務(wù)器結(jié)束這個(gè)連接，因?yàn)镕TP是帶外發(fā)送控制信息，也就是說(shuō)如果要請(qǐng)求其他的文件會(huì)建立新的TCP連接，因?yàn)镕TP傳輸?shù)膯挝皇俏募?，所以傳輸多個(gè)文件時(shí)會(huì)創(chuàng)建多個(gè)TCP連接這是低效的，推薦打包后傳送

FTP數(shù)據(jù)連接的建立的方式：

• 主動(dòng)模式（客戶端指定地址和端口）：
  • 客戶端通過(guò)發(fā)送PORT命令來(lái)指定IP地址和端口號(hào)
  • 服務(wù)器根據(jù)PORT命令的端口號(hào)和地址來(lái)建立連接
• 被動(dòng)模式（服務(wù)器指定地址和端口）：
  • 客戶端發(fā)送PASV命令
  • 服務(wù)器返回監(jiān)聽(tīng)的地址和端口號(hào)
  • 客戶端發(fā)起數(shù)據(jù)連接

SMTP

電子郵件的三大組成

• 用戶代理：運(yùn)行在客戶端的軟件或者Web網(wǎng)頁(yè)，允許用戶對(duì)郵件進(jìn)行相關(guān)操作（發(fā)送，轉(zhuǎn)發(fā)等）
• 郵件服務(wù)器：存放用戶郵件的服務(wù)器，郵件之間的發(fā)送通過(guò)郵件服務(wù)器通信來(lái)完成
• 郵件協(xié)議：郵件的發(fā)送協(xié)議，郵件的收取協(xié)議，采用標(biāo)準(zhǔn)的7位ASCII碼

SMTP

• 用來(lái)交換郵件消息的協(xié)議
• 客戶使用TCP來(lái)可靠傳輸郵件消息到服務(wù)器端口號(hào)25
• 直接傳送: 發(fā)送服務(wù)器到接收服務(wù)器
• 傳輸?shù)?個(gè)階段
  • 握手 (問(wèn)候)
  • 郵件消息的傳輸
  • 結(jié)束
• 命令/應(yīng)答的交互
  • 命令: ASCII文本格式
  • 應(yīng)答: 狀態(tài)碼及其短語(yǔ)
• 郵件消息必須是7-bit ASCII

SMTP: 總結(jié)

• SMTP使用持久連接
• SMTP 要求郵件消息(header & body)必須是7-bit ASCII
• SMTP服務(wù)器使用CRLF.CRLF 來(lái)判斷郵件消息的結(jié)束

與HTTP的比較:

• HTTP: 拉協(xié)議
• SMTP: 推協(xié)議
• 都有ASCII 命令/應(yīng)答交互, 狀態(tài)碼
• HTTP: 每個(gè)對(duì)象封裝在它各自的HTTP響應(yīng)消息中發(fā)送
• SMTP: 一個(gè)郵件內(nèi)各個(gè)對(duì)象置于同一個(gè)郵件消息的多目部分發(fā)送

郵件訪問(wèn)協(xié)議

• SMTP: 遞送/存儲(chǔ)郵件消息到接收者郵件服務(wù)器
• 郵件訪問(wèn)協(xié)議: 從服務(wù)器獲取郵件消息
  • POP: Post Office Protocol 郵局協(xié)議[RFC 1939]110端口號(hào)
    • 身份認(rèn)證 (代理 <–>服務(wù)器) 并 下載郵件消息
    • 包含三個(gè)階段：
    • 授權(quán)，事務(wù)處理，更新，POP是沒(méi)有狀態(tài)的，當(dāng)斷開(kāi)連接之后，需要重新登錄
  • IMAP: Internet Message Access Protocol [RFC 3501] 143端口
    • 更多功能特征 (更復(fù)雜！)
    • 允許用戶像對(duì)待本地郵箱那樣操縱遠(yuǎn)程郵箱的郵件
  • HTTP: 也可以通過(guò)HTTP來(lái)進(jìn)行郵件的接收

POP3協(xié)議

DNS

DNS: 存儲(chǔ)資源記錄(RR，Resource Records)的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)

DNS的出現(xiàn)是為了方便人們記憶網(wǎng)站的地址，IP地址難以記憶，可以轉(zhuǎn)換為其他的字符串例如轉(zhuǎn)換為uestc.edu.cn

DNS主要提供的功能：

• 主機(jī)名到IP地址的轉(zhuǎn)換
• 主機(jī)別名
  • 一個(gè)主機(jī)可以有一個(gè)規(guī)范主機(jī)名和多個(gè)主機(jī)別名
• 郵件服務(wù)器別名
• 負(fù)載分配
  • DNS實(shí)現(xiàn)冗余服務(wù)器：一個(gè)IP地址集合可以對(duì)應(yīng)同一個(gè)規(guī)范主機(jī)名

DNS的分層架構(gòu)【Domain Name System】域名系統(tǒng)：

• 分布式數(shù)據(jù)庫(kù)：一個(gè)由分層DNS服務(wù)器實(shí)現(xiàn)的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)
• 應(yīng)用層協(xié)議：DNS服務(wù)器實(shí)現(xiàn)域名轉(zhuǎn)換 (域名/地址轉(zhuǎn)換)

客戶機(jī)怎樣決定主機(jī)名www.amazon.com的IP地址？

1. 客戶機(jī)查詢根服務(wù)器得到com DNS服務(wù)器

2. 客戶機(jī)查詢com DNS服務(wù)器得到amazon.comDNS服務(wù)

3. 客戶機(jī)查詢amazon.comDNS服務(wù)器得到www.amazon.com的IP地址

根名字服務(wù)器負(fù)責(zé)記錄頂級(jí)域名服務(wù)器的信息

頂級(jí)域服務(wù)器（top-level domain servers）：負(fù)責(zé)頂級(jí)域名 com, org, net, edu, etc, 和所有國(guó)家的頂級(jí)域名 uk, fr, ca, jp.

• Network solutions 公司維護(hù)com頂級(jí)域的TLD服務(wù)器
• Educause 公司維護(hù)edu頂級(jí)域的 TLD服務(wù)器

權(quán)威DNS服務(wù)器(authoritative DNS servers):

在因特網(wǎng)上具有公共可訪問(wèn)主機(jī)（如Web服務(wù)器和郵件服務(wù)器）的每個(gè)組織機(jī)構(gòu)必須提供公共可訪問(wèn)的DNS記錄，這些記錄將這些主機(jī)的名字映射為IP地址。組織機(jī)構(gòu)的權(quán)威DNS服務(wù)器負(fù)責(zé)保存這些DNS記錄。

• 多數(shù)大學(xué)和公司維護(hù)它們的基本權(quán)威DNS服務(wù)器

本地DNS服務(wù)器：Local DNS Name Server

• 嚴(yán)格來(lái)說(shuō)不屬于層次架構(gòu)
• 每個(gè)ISP都有一個(gè)本地DNS服務(wù)器，也叫默認(rèn)服務(wù)器
• 當(dāng)主機(jī)發(fā)出DNS請(qǐng)求時(shí)，該請(qǐng)求被發(fā)往本地DNS服務(wù)器，起著代理的作用，轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求到層次結(jié)構(gòu)中

DNS存儲(chǔ)資源記錄（RR：Resource Records）

RR格式（name,value,type,ttl)

當(dāng)type=A(Address)時(shí)，name表示主機(jī)名，value表示ip地址

當(dāng)type=CNAME(canonical)時(shí)，name表示主機(jī)別名，value表示規(guī)范主機(jī)名

當(dāng)type=NS（name server）時(shí)，name表示域名，value表示權(quán)威名字服務(wù)器的主機(jī)名

當(dāng)type=MX(Mail Exchange)時(shí)，name表示郵件服務(wù)器的主機(jī)別名，value表示郵件服務(wù)器的真實(shí)規(guī)范主機(jī)名

DNS協(xié)議 : 查詢報(bào)文與應(yīng)答報(bào)文 , 但具有同樣的報(bào)文格式

P2P技術(shù)

• 沒(méi)有總是在線的服務(wù)器
• 任意端系統(tǒng)之間直接通信
• 對(duì)等方之間可以間斷連接并可以改變IP地址

一般采用集中式目錄架構(gòu)：例如git+github

存在問(wèn)題

• 單點(diǎn)故障
• 性能瓶頸
• 侵犯版權(quán)

BitTorrent是一種用于文件分發(fā)的流行P2P協(xié)議。
參與一個(gè)特定文件分發(fā)的所有對(duì)等方的集合被稱為一個(gè)洪流（torrent）。
一個(gè)洪流中的對(duì)等方彼此下載等長(zhǎng)度的文件塊（chunk），典型塊長(zhǎng)度為256KB。

內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(CDN)

• 將多份拷貝存儲(chǔ)在地理上分散的不同站點(diǎn)來(lái)提供服務(wù)（CDN）
• 深入: 將CDN服務(wù)器部署在眾多的接入網(wǎng)絡(luò)中
  • 靠近用戶
  • Akamai首創(chuàng), 使用了1700多個(gè)位置
• 邀請(qǐng)做客: 在少量(例如10個(gè))靠近接入網(wǎng)的關(guān)鍵位置(例如IXP)建造大集群，邀請(qǐng)到ISP做客
  • Limelight等使用

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序體系結(jié)構(gòu)
Web應(yīng)用和HTTP協(xié)議
基本術(shù)語(yǔ)（網(wǎng)頁(yè)、URL等）
HTTP的特性及其區(qū)別(無(wú)狀態(tài)、非持久和持久等)
請(qǐng)求和響應(yīng)報(bào)文
COOKIE技術(shù)
Web緩存

文件傳輸協(xié)議FTP ：兩種連接*

• 數(shù)據(jù)連接、控制連接

電子郵件：組成及其使用的協(xié)議

• SMTP
• POP
• IMPA
• HTTP

DNS的功能和實(shí)現(xiàn)
P2P文件共享原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)*
CDN
構(gòu)造簡(jiǎn)單的web服務(wù)器*

第二章單元檢測(cè)

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到了這里，關(guān)于【計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)自頂向下】如何學(xué)好計(jì)網(wǎng)-第二章應(yīng)用層的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！