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【计算机网络】2.应用层

发布时间 2024-01-04 16:06:00作者: imXuan

1 应用层协议原理

  • 客户端-服务器（C/S）体系架构
    • 服务器一直运行，有固定的IP和端口
    • 需要服务器场，可扩展性较差
    • 客户端主动与服务器通信，不直接与其他客户端连接
  • 对等体（P2P）体系架构
    • 几乎没有一直运行的服务器
    • 任意端到端系统之间可以进行通信
    • 每个节点既是客户端又是服务器
    • 具有自扩展性
  • C/S和P2P混合体
    • 用户上线时向中心服务器注册其IP地址
    • 用于与中心联系获取好友的IP地址
    • 两个用户间聊天使用P2P协议

1.1 进程通信

　　客户端进程和服务器进程需要通过交换报文（Message）来通信，这里涉及到如下问题

  1. 进程标识和寻址问题
    • IP、端口、传输层协议（TCP、UDP）
  2. 传输层-应用层提供服务如何（下层提供的服务）
    • 要传输的报文；源主机（IP、端口、协议）；目标主机（对方IP、端口、协议）
    • 传输层实体根据这些信息进行TCP报文段（UDP数据报）的封装
    • 完成连接后使用socket代替4元组（源IP、Port，目标IP、Port），使得穿过层间的信息量最少，不必每次都将4元组从应用层传入传输层，socket由操作系统进行管理
  3. 如何使用传输层提供的服务实现进程间报文交换（本层定义的协议）
    • 定义应用层的协议：报文格式，解释，时序等（HTTP、SMTP等）应用层协议根据数据丢失率、吞吐、延迟、安全性等设计。例如TCP更可靠，但UDP无需建立连接速度更快。
    • 编制程序，通过API调用网络基础设施提供的服务传输和解析报文

2 HTTP

2.1 HTTP连接

　　HTTP基于TCP协议。客户端发起与服务器的TCP连接建立套接字；服务器接受TCP连接并建立对应的套接字（服务器多个套接字共享端口号80，客户端发来数据时操作系统根据源IP和端口不同来区分它对应的套接字），接下来客户端和服务器交换HTTP报文传输数据（应用层协议报文），最后TCP连接关闭。HTTP是无状态的，服务器不维护客户端的任何信息。

  • 非持久HTTP：最多只有一个对象在TCP连接上发送，下载多个对象需要多个TCP连接（HTTP/1.0）
  • 持久HTTP：多个对象可以在一个TCP连接上传输（HTTP/1.1）

2.2 响应时间模型

往返时间RTT（round-trip time）：一个小的分组从客户端到服务器再回到客户端的时间（忽略传播时间）

  • 非持久HTTP每个对象都需要 2RTT+ 传输时间

2.3 HTTP请求报文

两种类型的HTTP报文：请求、响应

  • HTTP请求报文
GET /somedir/page.html HTTP/1.1    // 请求行（GET、POST、HEAD）
Host: www.xidian.edu.cn
User-agent: Mozilla/4.0
Conection: close
Accept-language:cn

// 换行回车符表示保温结束（一个额外的换行回车符）

  • HTTP相应报文
HTTP/1.1 200 OK\r\n
Connection close\r\n
Date: Thu, 06 Aug 1998 12:00:15 GMT\r\n
Server: Apache/1.3.0 (Unix) \r\n
Last-Modified: Mon, 22 Jun 1998... \r\n
Content-Length: 6821\r\n
Content-Type: text/html\r\n
\r\n
\r\n
data

2.4 Cookies

　　cookies可以用于用户验证、推荐、用户状态等维持用户-服务器状态，cookies 4个组成部分

  1. HTTP响应报文中有一个cookie的首部行
  2. HTTP请求报文含有一个cookie的首部行
  3. 客户端中保留一个cookie文件由浏览器管理
  4. Web站点有一个后台数据库

2.5 Web缓存

目标：不访问原始服务器，就满足客户的请求

用户设置浏览器，通过缓存访问Web，浏览器将所有的HTTP请求发给缓存，如果对象在缓存中则返回对象，不在缓存再访问原始服务器

缓存通常是ISP安装（大学、公司、居民区ISP），可以减少服务器载荷，降低机构内部与Internet接入链路上的流量

解决方案：条件GET方法，HTTP请求报文 If-modified-since:<data> 如果对象是最新的，就不要发送对象，服务器返回 304 Not Modified；如果对象被修改则返回 200 OK

3 FTP

FTP基于TCP协议，客户端是发起传输的一方，完成用户认证后可以与服务器进行文件传输。FTP服务器维护用户的状态信息，是有状态的。

FTP使用21号端口进行控制连接，使用20号端口进行数据连接。而HTTP通过80号端口完成控制连接和数据连接

 

4 Email

使用TCP协议在客户端和服务器之间发送报文，端口号为25（握手、传输报文、关闭），使用ASCII码文本传输数据（所有报文都必须是7位ASCII编码）

  • SMTP：推送到接收方的邮件服务器
  • 邮件访问协议：从服务器访问邮件
    • POP（Post Office Protocol）邮局访问协议
    • IMAP（Internet Mail Access Protocol）网络邮件访问协议，有更多特性，在服务器上处理存储的报文，在服务器中有目录
    • HTTP：Hotmail，Yahoo等，方便
    • POP3，无状态，不允许在服务器建目录，可以设置下载并删除或下载并保留

5 DNS

  • 域名系统（Domain Name System，DNS）的必要性
    • IP地址标志主机、路由器但IP地址不好记忆
    • 字符串 - IP地址 转换存在必要性
    • DNS负责将字符串转换为二进制的网络地址（分布式的数据库维护和相应）
  • DNS主要思路
    • 分层的、基于域的命名机制
    • 若干分布式的数据库完成名字到IP的转换
    • 运行在UDP上端口号53的应用服务
    • 核心的Internet功能，但是在应用层协议实现（网络边缘处理复杂性）
    • DNS还可以解决负载均衡（Load Distribution）的问题

5.1 域名服务器维护资源记录

资源记录（resource records）：维护域名-IP地址的映射关系

  • RR格式：（domain_name，ttl，type，class，Value）
    • domain_name：域名
    • TTL：time to live 生存时间（这个缓冲记录的有效时间）
    • Class：类别（互联网中这个值记录为Internet的缩写IN）
    • Value：值，域名对应的IP地址，也可以是ASCII码
    • Type：类别
      • Type=A：Name为主机，Value为IP
      • Type=CNAME：Name为规范名字的别名，Value为规范名字
      • Type=NS：Name域名，Value为该域名的权威服务器的域名（i.cnblogs.com应该能在cnblogs.com中找到自己的地址）
      • Type=MX：Value为name对应的邮件服务器的名字

5.2 DNS工作过程

  • 应用调用解析器（resolver）
  • 解析器作为客户向Name Serer发出查询报文（UDP数据报）
  • Name Server返回响应报文（name/ip）

举例某公司访问www.xidian.edu.cn，主机首先查询本地服务器，如果本地服务器缓存没有地址，则首先查询cn找到edu.cn的地址，之后在edu.cn中找到xidian.edu.cn的地址，本地DNS服务器不断根据这些地址去做查询（迭代查询）。本地缓存一般TTL为2天。

6 P2P

6.1 CS和P2P模式

CS模式：服务器传输给peer节点，服务器必须顺序传输N个文件拷贝，客户端必须下载一个文件拷贝。随着客户端数量增多，下载速度会越来越慢

P2P模式：服务器至少需要上载一份拷贝，客户端必须下载一个文件拷贝，但所有peer节点都可以上载使得最大上载带宽随peer增加

6.2 P2P文件分发：BitTorrent

将文件分为256KB的块，网络中的peers发送和接收文件快，相互服务

  • Napster 集中式目录的设计（集中式）：上线通知服务器我有的资源，下线删除资源，客户端向服务器目录请求其他资源并与其他节点建立连接
    • 服务器故障资源目录就会下线
    • 所有人请求目录资源也会有性能问题
    • 侵犯版权
  • Gnutella 查询泛洪的设计（完全分布式）：没有中心服务器，通过图网络进行泛洪查询
    • 建立连接：下载软件后有一个常驻节点的表，通过该标向网络泛洪发起上线通知，然后挑选几个返回的节点进行连接加入网络
    • 断开连接：告知与自己连接的节点下线
  • KaZaA 利用不对称性（组合体）：设计其中几个对等体为小组长，小组长之间有TCP连接
    • 每个文件有一个散列标识码和描述符
    • 客户端向组长发送关键字查询
    • 组长匹配元数据、散列标识码、IP地址，向其他组长发起查询，其他组长进行匹配
    • 客户端想拥有文件的对等体发送带散列标识码的HTTP请求

7 CDN

内容分发网络（Content Distribution Networks，CDN）：通过CDN在全网部署缓存节点，存储服务内容，就近为用户提供服务，用户从CDN请求内容（用户重定向到最近的拷贝来请求内容）

  • CDN节点选择
    1. 用户向原始网站请求数据，原始网站中包含一个视频的链接
    2. 浏览器解析视频地址，向本地DNS服务器请求地址
    3. 本地服务器向权威名字服务器请求视频地址，权威名字服务器返回给本地服务器重定向地址
    4. 本地服务器向重定向地址的DNS服务器请求，返回距离用户最近的视频服务器地址
    5. 本地DNS服务器返回给用户视频的地址
  • 网络拥塞时CDN节点切换
  • CDN节点存储内容选择

8 socket

TCP：可靠地、字节流的服务

UDP：不可靠（数据UDP数据包）服务

8.1 TCP socket

  • 服务器处于运行状态
    • 创建欢迎socket
    • 和本地端口绑定
    • 在欢迎socket上阻塞式等待接收用户的连接
  • 客户端主动和服务器建立连接
    • 创建客户端本地套接字（隐式捆绑到本地端口）
    • 指定服务器IP和端口，与服务器进程连接
  • 客户端连接请求到来时
    • 服务器接收来自客户端的请求，接触阻塞式等待
    • 返回一个新的socket（该socket绑定服务器守候的IP和端口以及客户端的IP和端口，系统通过收到字节流的IP和端口区分应该发送给哪个socket）
struct sockaddr_in{
    short sin_family;    // AF_INET
    u_short sin_port;    // port
    struct in_addr sin_addr;    // IP address, unsigned long
    char sin_zero[8];    // align
};
struct hostent{
    char *h_name;
    char **h_aliases;
    int h_addrtype;
    int h_length; /*地址长度*/
    char **h_addr_list;
    #define h_addr h_addr_list[0];
};

Linux TCP/UDP socket 通信和IO多路复用

8.2 UDP socket

Linux TCP/UDP socket 通信和IO多路复用（3.2UDP）