【計算機網絡】2.1 應用層協議原理

第二章第一節 應用層協議原理

網絡應用是計算機網絡存在的理由，在本章中，咱們學習有關網絡應用的原理和實現方面的知識。咱們學習包括應用沉香谷所須要的網絡服務、客戶和服務器、進程和運輸層接口。

咱們詳細考察幾種網絡應用程序，包括Web、電子郵件、DNS 和 P2P文件分發。

Outline

• 網絡應用程序體系結構
• 進程通訊
• 因特網提供的運輸服務
  • TCP
  • UDP
• 應用層協議

Notes

## 應用程序體系結構

應用程序體系結構由應用程序研發者設計，規定了如何在各類端系統上組織該應用程序。

三種程序結構爲：客戶 - 服務器體系結構、對等(P2P)體系結構和混合結構

【客戶-服務器體系結構】

• 定義：有一個老是打開的主機稱爲服務器，它服務於來自許多其餘稱爲客戶的主機的請求
• 服務器
  • 對外提供不間斷服務
  • 服務器具備固定的、周知的地址（IP地址）
  • 利用大量服務器實現可擴展性（數據中心）
• 客戶端
  • 客戶端使用服務，間歇性接入網絡
  • 可能使用動態的IP地址
  • 客戶端之間不相互通訊
• 栗子：Web服務器、FTP、電子郵件

 

【P2P體系結構】

• 特色：
  • 對於位於數據中心的專用服務器有最小（或沒有）的依賴
  • 任意端系統/節點能夠直接通訊，這些主機被稱爲對等方
  • 端系統間歇性接入網絡，可能改變IP地址
• 栗子（流量密集型應用）：文件共享、對等方協助下載加速器(迅雷)、因特網電話等
• 優勢：自擴展性（成本可控、經過與其餘對等方分發文件以增長服務能力）
• 缺點：難以管理
• 三大挑戰：
  • ISP友好：大多數住宅ISP的下載要比上載多得多，ISP已經受制於非對稱的帶寬應用
  • 安全性：由於高度分佈和開放特性，P2P給安全帶來挑戰
  • 激勵：要稅負用戶資源提供帶寬、存儲和計算資源

 

【混合結構】

P2P難於管理，那咱們就混入C/S的集中管理。C/S中服務器壓力過大，咱們就混入P2P中的P們來爲它減輕負擔。Napster就是這樣作的。

Napster：文件傳輸使用P2P結構，文件搜索使用C/S結構

 

## 進程通訊

• 進程：一個具備必定獨立功能的程序關於某個數據集合的一次運行活動，是系統進行資源分配和調度運行的基本單位
• 若是同一主機上運行的進程想互相通訊，它們能夠經過進程間通訊機制來完成，這種機制是由操做系統提供的 
• 在兩個不一樣端系統上的進程，經過跨越計算機網絡交換報文（message）而相互通訊
• 端系統的進程經過套接字進行接受報文或發送報文
• 網絡應用程序是由成對的進程組成，這些進程經過網絡相互發送報文。對每對通訊進程，咱們將其中的一個標記爲客戶（client，通常爲發起通訊的一方），另外一個標記爲服務器（server，等待聯繫的一方）。 

【套接字（Socket）】

• 套接字是同一臺主機內應用層與運輸層之間的接口

• 套接字至關於一個公用的中間語言，讓不一樣的主機能夠順利通話。
• 套接字是創建網絡應用程序的可編程接口，所以套接字也稱爲應用程序和網絡之間的應用程序編程接口（Application Programming Interface，API）
• 應用程序開發者能夠控制應用層端的一切，但對於套接字運輸端的控制僅限於：
  • 選擇運輸層協議；
  • 也許能設定幾個運輸層參數，如最大緩存和最大報文段長度等（將在第3章中涉及）。

 【進程尋址】

• 若是想實現不一樣主機上的進程間通訊，每一個主機必須擁有標識符——IP地址，每一個進程須要擁有標識符——端口號。
• 進程的標識符 = IP地址+端口號
• IP地址是一個32比特的量且惟一的標識主機，更多的內容請參考第4章
• 端口號如：HTTP Sever:80

 

## 因特網提供的運輸服務

【網絡應用的需求和傳輸層服務】

• 運輸層協議提供的運輸服務包括：
  • 可靠數據傳輸（容忍丟失）
  • 吞吐量（帶寬敏感）
  • 時序/延遲
  • 安全性
• 常見的應用所需的運輸服務

 

 【Internet提供的兩類傳輸服務——TCP服務】

• TCP服務模型包括面向鏈接服務和可靠數據傳輸服務，TCP還提供擁塞控制機制

• 服務的具體描述：
  • 面向鏈接：客戶機/服務器進程間需創建鏈接。握手過程提示客戶和服務器，使它們爲大量分組的到來作好準備。在握手階段後，一個TCP鏈接（TCP connection）就在兩個進程的套接字之間創建了。
  • 可靠的傳輸：通訊進程可以依靠TCP，無差錯、按適當順序交付全部發送的數據。
  • 流量控制：發送方不會發送過快，超過接收方的處理能力。
  • 擁塞控制：當網絡負載太重時可以限制發送方的發送速度。
  • 不提供時間/延遲保障。
  • 不提供最小帶寬保障。

【Internet提供的兩類傳輸服務——UDP服務】

• UDP是一種不提供不須要服務的輕量級運輸協議。
• 無鏈接：它不需在兩主機間創建鏈接。
• 提供不可靠的數據傳輸
• 不提供擁堵控制UDP的發送端能夠用它選定的任何速率向其下層（網絡層）注入數據（值得注意的是實際端到端吞吐量可能小於這種速率，這多是由於中間鏈路的帶寬受限或由於擁塞而形成的）
• 也不提供：可靠性保障、流量控制、延遲保障、帶寬保障。

【常見應用選擇的運輸協議】

 

 ## 應用層協議

• 運輸服務遵循應用層協議
  • 公開協議：由RFC定義，標準化的HTTP、SMTP等
  • 私有協議：多數P2P文件共享應用
• 應用層協議的主要內容
  • 消息的類型（type）：請求消息，響應消息。
  • 消息的語法（syntax）/格式：消息中有哪些字段，每一個字段如何描述。
  • 字段的語義（semantics）：字段中信息的含義。
  • 規則（rules）：進程什麼時候發送/響應消息等。
• 以HTTP爲例;