哈工大MOOC计算机网络第二章网络应用上

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:

          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 

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