2.1网络应用层内容概述
2.2网络应用的基本原理
1.网络应用的体系结构
1>客户机/服务器结构(Client-Server,C/S)????????????????如Web
????????服务器不间断提供服务，客户机使用服务
????????
????????服务器：需要不间断提供服务，有永久性访问地址/域名，要有大量的服务器并行处理用户请求，同时具有可扩展性
? ? ? ? 客户机：与服务器通信使用服务器提供的服务，可以间歇性接入网络，可能使用动态IP地址，不与其他客户机直接通信。
2>点对点结构(Peer-to-peer,P2P)? ? ? ? ? ? ? ? 如文件共享
? ? ? ? ? ? ??
? ? ? ? ?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，节点可能改变IP地址。
? ? ? ? ?优点：高度可伸缩
? ? ? ? ?缺点：难于管理
3>混合结构(Hybird)? ? ? ? ? ? ? ? 如Napster
? ? ? ? Mapster中文件传输使用P2P结构，文件搜索使用C/S结构。每个节点向中央服务器登记自己的内容，每个节点向中央服务器提交查询请求，查找感兴趣的内容。
? ? ? ? 避免了都从服务器下载，避免了服务器成为性能瓶颈
2.网络应用进程通信
1>网络应用的基础：进程间通信
? ? ? ? 同一主机上运行的进程之间如何通信？
? ? ? ? ? ? ? ? 通过进程间通信机制，由操作系统提供
? ? ? ? 不同主机上运行的进程间如何通信？
? ? ? ? ? ? ? ? 通过消息交换
? ? ? ? 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。(P2P架构中也存在客户机进程和服务器进程)
2>套接字Socket
? ? ? ? 进程间通信利用Socket发送/接受消息实现，socket是操作系统提供的关于网络编程的API
????????
?3>寻址进程
? ? ? ? 不同主机上的进程间通信，那么每个进程必须拥有标识符。
? ? ? ? 仅有IP地址不足以定位进程，因为同一主机上可能同时又多个进程需要通信
? 端口号：为主机上每个需要通信的进程分配一个端口号(0-65536)
? ? ? ? HTTP Server：80端口
? ? ? ? Mail Server：25端口
? ? ? ? IP地址加上端口号唯一的标识一个网络上的进程
4>应用层协议
公开协议(HTTP,SMTP,.......)
? ? ? ? ? 1.由RFC(Request For Comments)定义
? ? ? ? ? ?2.允许互操作
私有协议
? ? ? ? ? ? 多数P2P文件共享应用
应用层协议的内容：
????????消息类型：请求消息，响应消息
????????消息的语法/格式：
? ? ? ? ????????消息中有哪些字段，每个字段如何描述
???
?????????字段的语义：字段中信息的含义
? ? ? ? 规则：进程何时发送/响应消息，进程如何发送/响应消息
3.网络应用的需求与传输层服务
网络应用对传输服务的需求：
? ? ? ? 1.数据丢失/可靠性
? ? ? ? ? ? ? ? 某些应用可以有一部分数据丢失：网络电话，视频丢帧
? ? ? ? ? ? ? ? 某些应用要求100%可靠数据传输：文件传输，银行汇款等
? ? ? ? 2.时间/延迟?
? ? ? ? ? ? ? ? 有些应用只有在延迟足够低时才”有效“：网络电话，网络游戏
? ? ? ? 3.带宽
? ? ? ? ? ? ? ? 某些应用要求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
Internet提供的传输服务：
| TCP服务 | UDP服务 | |
| 面向连接 | 客户机/服务器进程间需要建立连接 | 无连接 |
| 传输 | 可靠的传输???????? | 不可靠的数据传输 |
| 流量控制 | 发送方不会发送过快超过接收方的处理能力 | 无 |
| 拥塞控制 | 当网络负载过重时能够限制发送方的发送速度 | 无 |
| 延迟保障 | 无 | 无 |
| 带宽保障 | 无 | 无 |
2.3Web应用
1.Web与HTTP
Web基本构成要素：?
????????网页，网页互相链接。
????????网页包含多个对象(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：URL统一资源定位器? ? ? ? Scheme://host:post/path
HTTP（超文本传输协议）协议概述：万维网应用遵循的协议
采用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
使用TCP传输服务
? ? ? ? 1.服务器在80端口等待客户的请求
? ? ? ? 2.浏览器发起到服务器的TCP连接(创建套接字Socket)
? ? ? ? 3.服务器接受来自浏览器的TCP连接
? ? ? ? 4.浏览器(HTTP客户端)与Web服务器(HTTP服务器)交换HTTP消息
? ? ? ? 5.关闭TCP连接
无状态机制：服务器不维护任何有关客户端过去所发请求的信息
2.HTTP连接
（1）HTTP连接的两种类型
? ? ? ? 1>非持久性连接：每个TCP连接最多允许传输一个对象（HTTP 1.0版本使用）
? ? ??
? ? ? ? ? ? ? ? 响应时间分析：Total=2RTT+文件发送时间
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1.发起、建立TCP连接：1个RTT
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2.发送HTTP请求消息到HTTP响应消息的前几个字节到达：1个RTT
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3.响应消息中所含文件/对象传输时间
????????????????????????????????????????????????
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 注：RTT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
? ? ? ? ? ? ? ? 问题：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1.每个对象都需要2个RTT
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2.操作系统需要为每个TCP连接开销资源
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3.浏览器打开多个并行的TCP连接以获取网页所需对象，给服务器造成负担
? ? ? ? 2>持久性连接：每个TCP连接允许传输多个对象 （HTTP1.1版本默认使用）
? ? ? ? ? ? ? ? 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
? ? ? ? ? ? ? ? 分类：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1.无流水的持久性连接：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一个RTT
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2.带有流水机制的持久性连接：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 客户端只要遇到一个引用对象就尽快发出请求，理想情况下收到所有的引用
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?对象只需耗时约1个RTT
3.HTTP消息格式
? ? ? ? 请求消息、响应消息
? ? ? ? (1)HTTP请求消息
? ? ? ? ? ? ? ? 使用ASCII码写成，人直接可读
? ? ? ? HTTP请求消息的通用格式：
? ? ? ? 上传输入的方法：
? ? ? ? ? ? ? ? 1>POST方法。在请求消息的消息体(entity body)中上传客户端的输入
? ? ? ? ? ? ? ? 2>URL方法。使用GET方法，输入信息通过request行的URL字段上传
| HTTP/1.0? | HTTP/1.1 |
| GET | GET,POST,HEAD |
| POST | PUT 将消息体中的文件上传到URL字段所指定的路径 |
| HEAD 请Server不要将所请求的对象放入响应消息中 | DELETE 删除URL字段所指定的文件 |
??????（2）HTTP响应消息
? ? ? （3）HTTP响应状态代码
? ? ? ? ? ? ? ? 处于响应消息的第一行
? ? ? ? ? ? ? ? 常见状态代码：200 OK
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 301? Moved Permanently
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 400? Bad Request
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 404? Not Found
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 505? HTTP Version Not Supported
4.Cookie技术
? ? ? ? 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组件
? ? ? ? ? ? ? ? 1.HTTP响应消息的cookie头部行
? ? ? ? ? ? ? ? 2.HTTP请求消息的cookie头部行
? ? ? ? ? ? ? ? 3.保存在客户端主机上的cookie文件，由浏览器管理
? ? ? ? ? ? ? ? 4.Web服务器端的后台数据库
? ? ? ? 原理：
????????应用：身份认证，购物车，推荐，Web email.....
? ? ? ? 问题：隐私问题
5.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
作用：
? ? ? ? 1.缩短客户请求的响应时间
? ? ? ? 2.减少机构/组织流量
? ? ? ? 3.在大范围内实现有效的内容分发
原理：
? ? ? ? 1.用户设定浏览器通过缓存进行Web访问
? ? ? ? 2.浏览器向缓存/代理服务器发送所有的HTTP请求
? ? ? ? ? ? ? ? case 1>如果所请求对象在缓存中，缓存返回对象
? ? ? ? ? ? ? ? case 2>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
????????????????????????
????????因此缓存既充当客户端又充当服务器，一般由ISP架设
条件性GET方法
目标：如果缓存有最新的版本，则不需要发送请求对象
????????????????
?????????缓存：在HTTP请求消息中声明所持有版本的日期。if-modified-since:<date>
? ? ? ? ? 服务器：如果缓存版本是最新的，则响应消息中不包含对象。
? ? ? ? ? ? ? ? 返回HTTP/1.0? ?304 Not Modified
? ? ? ? ? ? ? ? 如果不是最新的，则返回数据
? ? ? ? ? ? ? ? ?返回HTTP/1.0? ?200? OK? <data>
2.4Email应用
1.Email应用
构成：
? ? ? ? 1.邮件客户端(外围)：读、写Email消息，与服务器交互，收发Email消息
? ? ? ? 2.邮件服务器(核心)：为每一个用户存储一个邮箱；创建消息队列，存储等待发送的Email
? ? ? ? 3.SMTP协议：邮件服务器之间传递消息所使用的协议
? ? ? ? ? ? ? ? 1>使用TCP进行email消息的可靠传输
? ? ? ? ? ? ? ? ?2>端口25
? ? ? ? ? ? ? ? 3>传输过程的三个阶段：握手、消息的传输、关闭
? ? ? ? ? ? ? ? 4>命令/响应交互模式
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 命令：ASCII文本
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 响应：状态代码和语句
? ? ? ? ? ? ? ? 5>Email消息只能包含7位ASCII码?
Email应用示例：
SMTP交互示例：
SMTP与HTTP协议对比：
? ? ? ? 不同点：HTTP是拉式(pull)获取网页信息，SMTP是推式(push)发送信息
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 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
? ? ? ? 相同点：都使用命令/响应交互模式，命令和状态码都是ASCII码
?2.Email消息格式与POP3协议
SMTP协议传输的email消息格式
? ? ? ? 头部行：To? ? From? ? ?Subject? ? ? ? 与SMTP命令不同
? ? ? ? 消息体：消息本身，只能是ASCII字符
MIME：多媒体邮件扩展
? ? ? ? 通过在邮件头部增加额外的行以声明MIME的内容类型
????????
? ? ? ? ?使用特定格式编码，收到邮件后解码
邮件访问协议：从服务器获取邮件
? ? ? ? 1.POP协议
? ? ? ? ? ? ? ? 1.认证/授权阶段? 2.下载
? ? ? ? 2.IMAP协议
? ? ? ? ? ? ? ? 更多功能，更加复杂，能够操纵服务器上存储的信息
? ? ? ? 3.HTTP协议
? ? ? ? ? ? ? ? 163，QQ，Mail等
POP协议(无状态协议)：
? ? ? ? 1.认证过程
? ? ? ? ? ? ? ? 客户端命令：User：声明用户名，Pass：声明密码
? ? ? ? ? ? ? ? 服务器响应：+OK，-ERR
? ? ? ? 2.事务阶段
? ? ? ? ? ? ? ? List：列出消息数量
? ? ? ? ? ? ? ? Retr：用编号获取消息
? ? ? ? ? ? ? ? Dele：删除消息
? ? ? ? ? ? ? ? Quit
????????????????????????????????????????????????????????????????????
? ? ? ? 几个模式
? ? ? ? ? ? ? ? 1>下载并删除模式：用户如果切换客户端软件，无法重读该邮件
? ? ? ? ? ? ? ? 2>下载并保持模式：不同客户端都可以保留消息的拷贝
IMAP协议(有状态协议)
? ? ? ? 所有消息统一保存在一个地方：服务器
? ? ? ? 允许用户利用文件夹组织消息
? ? ? ? IMAP支持跨会话的用户状态：文件夹的名字，文件夹与消息ID的映射等
2.5DNS应用
1.DNS概述：Domain Name System
? ? ? ? 解决Internet上主机/路由器的识别问题：IP地址，域名
1.DNS域名解析系统：将域名翻译成IP地址
? ? ? ? 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）
DNS服务：
? ? ? ? 1>域名向IP地址的翻译
? ? ? ? 2>主机别名
? ? ? ? 3>邮件服务器别名
? ? ? ? 4>负载均衡
为什么不使用集中式的DNS
? ? ? ? 1>单点失败问题
? ? ? ? 2>流量问题：流量巨大，成本高昂
? ? ? ? 3>距离问题
? ? ? ? 4>维护性问题
2.分布式层次式数据库
? ? ? ? 1>.根域名服务器? 全球13个
? ? ? ? ? ? ? ? 本地域名解析服务器无法解析域名时，访问根域名服务器
? ? ? ? ? ? ? ? 1.如果不知道映射，访问权威域名服务器
????????????????2.获得映射
? ? ? ? ? ? ? ? 3.向本地域名服务器返回映射
? ? ? ? 2>.顶级域名服务器TLD
? ? ? ? ? ? ? ? 负责com,org,net,edu等
? ? ? ? ? ? ? ? 顶级域名和国家顶级域名，如cn,uk,fr等
? ? ? ? 3>.权威域名服务器
? ? ? ? ? ? ? ? 组织的域名解析服务器，提供组织内部服务器的解析服务
? ? ? ? ? ? ? ? 组织和服务提供商负责维护
? ? ? ? 4>.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
? ? ? ? ? ? ? ? 本地域名服务器作为代理(proxy)，将查询转发给(层级式)域名解析服务器系统
3.DNS查询方式：
? ? ? ? 1>迭代查询
????????????????
? ? ? ? 2>?递归查询
? ? ? ? ? ? ?
4.DNS记录缓存和更新
缓存：
????????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经常被访问。
更新：RFC 2136
2.DNS记录和消息格式
1.DNS记录
资源记录：RR format：(name,value,type,ttl)
Type=A
? ? ? ? Name：主机名
? ? ? ? ?Value：IP地址
Type=NS
? ? ? ? Name：域(edu.cn)? ? ? ??
? ? ? ? Value：该域权威域名解析服务器的主机域名
Type=CNAME
? ? ? ? Name：某一真实域名的别名
? ? ? ? Value：真实域名
?Type=MX
? ? ? ? Value是与name相对应的邮件服务器
2.DNS协议与消息
DNS协议：
? ? ? ? 查询和回复消息，消息格式相同
? ? ? ? 消息头部：
? ? ? ? ? ? ? ? Identification:16位查询编号，回复使用相同编号
? ? ? ? ? ? ? ? ?flags：查询或回复，期望递归，递归可用，权威回答
?
3.注册域名
在域名管理机构注册域名
? ? ? ? 向域名管理机构提供权威域名解析服务器的名字和IP地址
? ? ? ? 域名管理机构向顶级域名解析服务器中插入两条记录(一条插入域名，dns服务器，资源类型记录，一条插入对应的IP地址)
如图：
在权威域名解析服务器中加入为域名加入Type A记录，为域名加入Type MX记录
????????