【计算机网络】第二章应用层-电子科技大学2023期末考试

第二章 应用层

应用层协议原理

网络应用程序体系结构

• 客户机/服务器体系结构：至少有一个服务器，一个客户机，其中服务器总是打开的，具有固定的众所周知的IP地址，主机群集常被用于创建强大的虚拟服务器，而客户机向服务器端进行通信，可以间断的同服务器连接，可以拥有动态的IP地址，客户机相互之间不直接通信
• P2P体系结构：没有总是打开的服务器，任意一对主机直接相互通信，对等方间歇连接并且可以改变IP地址
  • 优点：自扩展性
  • 缺点：难以管理
• 客户机/服务器和P2P混合的体系结构：文件直接在对等方之间交换，文件搜索通过服务器，中心服务器记录对等方内容，对等方查询中心服务器来决定要求文件位置，两个聊天用户之间是P2P，注册查询时通过服务器，用户上线时要在中心服务器上进行注册，用户与中心服务器联系以找出在线小伙伴，git配合上共享服务器就能实现该种方式

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进程通信

• 进程：运行在端系统中的程序
• 同一主机上的两个进程通过内部进程通信机制进行通信
• 不同主机上的进程通过交换报文相互通信
  • 客户进程: 发起通信的进程
  • 服务器进程: 等待联系的进程
• 寻址通过IP地址和端口号

注意：具有P2P体系结构的应用程序既有客户进程和服务器进程。

应用层协议

• 交换的报文类型，如请求报文和应答报文
• 报文类型的语法：报文中的各个字段及其详细描述
• 字段的语义，即包含在字段中的信息的含义
• 进程何时、如何发送报文及对报文进行响应

因特网传输协议提供的服务

• TCP服务

  • 面向连接的服务：在客户机程序和服务器程序之间必须建立连接
  • 可靠的传输服务：接收和发送进程间，数据是可靠的
  • 流量控制：发送方不会淹没接收方
  • 拥塞控制：网络出现拥塞时抑制发送进程
  • 没有提供：时延保证，最小带宽保证

• UDP服务

  • 无连接服务
  • 不可靠数据传输
  • 没有提供：建立连接，可靠性，流量控制，拥塞控制，时延和带宽保证

面向连接是指：必须在建立连接之前确认双方链路可达，并已准备好才开始通信，提供了可靠或者不可靠的服务

无连接指：发送端在开始通信前不去询问接收端是否可达和是否已准备好数据，提供不可靠的服务

应用	应用层协议	下面的传输协议
电子邮件	SMTP [RFC 28c21]	TCP
远程终端访问	Telnet [RFC 854]	TCP
Web	HTTP [RFC 2616]	TCP
文件传输	FTP [RFC 959]	TCP
流媒体	通常专用(e.g. RealNetworks)	TCP or UDP
因特网电话	通常专用(e.g., Skype)	典型用 UDP

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• TCP和UDP
  • 没有加密
  • 网络明文传输，如用户名和口令信息等
• SSL【应用层】
  • 提供加密的TCP连接
  • 保证数据完整性
  • 端点认证
  • 应用使用SSL库调用TCP服务接口
  • SSL提供套接字API

Web应用和Http协议

• 网页（Web页，或称文档）由许多对象组成。
• 对象就是文件，可以是HTML文件, JPEG图像, Java applet, 音频文件…
• 多数网页由单个基本HTML文件和若干个所引用的对象构成
• 每个对象被一个URL(Uniform Resource Locator统一资源定位符)寻址
  举例URL:

• HTTP: 超文本传输协议（HyperText Transfer Protocol）

  • Web的应用层协议
  • client/server模式
    • client: 浏览器browser请求, 接收, “解释显示” Web对象
    • server: Web服务器响应请求,发送 Web对象
  • HTTP 1.0: RFC 1945
  • HTTP 1.1: RFC 2616

• 使用TCP:

  • 客户初始化一个与HTTP服务器80端口的TCP连接 (创建套接字)
  • HTTP服务器接受来自客户的TCP连接请求, 建立连接
  • Browser (HTTP client)和Web服务器 (HTTP server) 交换HTTP消息(应用层协议消息)包括HTTP请求和响应消息
  • 最后结束(或叫关闭)TCP连接

• HTTP是无状态协议

• HTTP服务器不维护客户先前的状态信息

非持续连接和持续连接

• 非持久HTTP连接

  • 每个TCP连接上只传送一个对象，下载多个对象需要建立多个TCP连接
  • HTTP/1.0使用的是非持久HTTP连接

• 持久HTTP连接

  • 一个TCP连接上可以传送多个对象
  • HTTP/1.1默认使用持久HTTP连接
  • 不带流水的持久HTTP连接：客户必须收到响应才能继续发送请求，也就说多个资源之间不能够并发
  • 带流水的持久HTTP连接：客户可以在收到响应之前发送新的请求，多个请求可以同时发送，只需要一个RTT就能获得所有资源

• 定义往返时间RTT(Round-Trip Time)：
  • 1个小分组从客户主机到服务器再到客户主机所花费的时间
• 响应时间:
  • 1个RTT用于建立TCP连接
  • 1个RTT用于HTTP请求/响应消息的交互
  • html文件传输时间
• total = 2RTT+transmit time

HTTP/2

• 关键目标：减少多对象HTTP请求的延迟
  • HTTP1.1：在单个TCP连接上引入了多个流水线GET
  • 服务器按顺序响应GET请求（FCFS: first-come-first-served scheduling）
  • 对于FCFS，小对象可能必须在大对象后面等待传输（ head-of-line (HOL) blocking, 线头阻塞HOL）
  • 丢失恢复（重新传输丢失的TCP段）对对象传输时间的影响
  • HTTP/2:[RFC 7540，2015]增加了服务器向客户端发送对象的灵活性
  • 方法、状态代码、大多数头字段与HTTP1.1相比没有变化
  • 基于客户端指定的对象优先级的请求对象的传输顺序（不一定是FCFS）
  • 将未请求的对象推送到客户端
  • 将对象划分为框架，安排框架以减少HOL阻塞

• 普通TCP连接没有安全性
• HTTP/3：通过UDP增加了安全性、每个对象的错误和拥塞控制（更多的流水线操作）
• 关于传输层支持HTTP/3的更多信息: QUIC协议（Quick UDP Internet Connections）

HTTP报文格式

请求报文格式

请求方法类型

• GET
• POST
• HEAD
  • 服务器收到请求时，用HTTP报文进行响应，但不返回请求对象
• HTTP1.1
  • PUT
    • 文件在实体主体中被上载到URL字段指定的路径
  • DELETE
    • 删除URL字段指定的文件

响应报文格式

HTTP 响应的状态码

位于服务器响应客户的响应消息的第一行
几个常见的样本状态码：

• 200：请求成功，所请求信息在响应消息中返回
• 301：所请求的对象已永久迁移，新的URL在本响应信息的头部指出
• 400：该请求不能被服务器解读
• 404：服务器不存在所请求文档

Cookies

目的：提高用户和服务的交互性

• cookie头部行在HTTP请求消息中
• cookie头部行在HTTP响应消息中
• cookie文件保存在用户主机中并被用户浏览器管理
• cookie信息也保存在Web站点的后端数据库中

cookies可以跟踪用户：例如虚拟购物车，推荐广告，身份认证，用户会话状态

Web缓存

• 目标: 代表起始服务器满足HTTP请求

• 用户配置浏览器: Web 访问经由缓存

• 所有HTTP请求指向缓存

  • 对象在缓存中：缓存器返回对象
  • 否则缓存器向起始服务器发出请求，接收对象后转发给客户机

• 减少对客户机请求的响应时间

• 减少内部网络与接入链路上的通信量

• 能从整体上大大降低因特网的Web流量

条件GET方法：

• 用于判断缓存是否为最新的版本，在请求中包含if-modified-since:根据响应报文的内容判断缓存是否为最新的
• 如果是最新的，响应报文中不会含有请求的对象，会包含：HTTP/1.0 304Not Modified表示缓存是最新版本
• 如果修改过，则会返回正常请求的对象

文件传输协议：FTP

FTP：传输文件到远程主机/从远程主机下载文件，默认端口号21

FTP的工作流程：

• 客户首先发起建立一个与服务器21端口之间的TCP连接（控制连接）
• 客户在控制连接上进行身份认证
• 客户在控制连接上发送命令浏览远程主机目录
• 当服务器接收到一个文件传输命令时，他使用端口20创建一个与客户的TCP数据连接
• 传输一个文件后，服务器结束这个连接，因为FTP是带外发送控制信息，也就是说如果要请求其他的文件会建立新的TCP连接，因为FTP传输的单位是文件，所以传输多个文件时会创建多个TCP连接这是低效的，推荐打包后传送

FTP数据连接的建立的方式：

• 主动模式（客户端指定地址和端口）：
  • 客户端通过发送PORT命令来指定IP地址和端口号
  • 服务器根据PORT命令的端口号和地址来建立连接
• 被动模式（服务器指定地址和端口）：
  • 客户端发送PASV命令
  • 服务器返回监听的地址和端口号
  • 客户端发起数据连接

SMTP

电子邮件的三大组成

• 用户代理：运行在客户端的软件或者Web网页，允许用户对邮件进行相关操作（发送，转发等）
• 邮件服务器：存放用户邮件的服务器，邮件之间的发送通过邮件服务器通信来完成
• 邮件协议：邮件的发送协议，邮件的收取协议，采用标准的7位ASCII码

SMTP

• 用来交换邮件消息的协议
• 客户使用TCP来可靠传输邮件消息到服务器端口号25
• 直接传送: 发送服务器到接收服务器
• 传输的3个阶段
  • 握手 (问候)
  • 邮件消息的传输
  • 结束
• 命令/应答的交互
  • 命令: ASCII文本格式
  • 应答: 状态码及其短语
• 邮件消息必须是7-bit ASCII

SMTP: 总结

• SMTP使用持久连接
• SMTP 要求邮件消息(header & body)必须是7-bit ASCII
• SMTP服务器使用CRLF.CRLF 来判断邮件消息的结束

与HTTP的比较:

• HTTP: 拉协议
• SMTP: 推协议
• 都有ASCII 命令/应答交互, 状态码
• HTTP: 每个对象封装在它各自的HTTP响应消息中发送
• SMTP: 一个邮件内各个对象置于同一个邮件消息的多目部分发送

邮件访问协议

• SMTP: 递送/存储邮件消息到接收者邮件服务器
• 邮件访问协议: 从服务器获取邮件消息
  • POP: Post Office Protocol 邮局协议[RFC 1939]110端口号
    • 身份认证 (代理 <–>服务器) 并 下载邮件消息
    • 包含三个阶段：
    • 授权，事务处理，更新，POP是没有状态的，当断开连接之后，需要重新登录
  • IMAP: Internet Message Access Protocol [RFC 3501] 143端口
    • 更多功能特征 (更复杂！)
    • 允许用户像对待本地邮箱那样操纵远程邮箱的邮件
  • HTTP: 也可以通过HTTP来进行邮件的接收

POP3协议

DNS

DNS: 存储资源记录(RR，Resource Records)的分布式数据库

DNS的出现是为了方便人们记忆网站的地址，IP地址难以记忆，可以转换为其他的字符串例如转换为uestc.edu.cn

DNS主要提供的功能：

• 主机名到IP地址的转换
• 主机别名
  • 一个主机可以有一个规范主机名和多个主机别名
• 邮件服务器别名
• 负载分配
  • DNS实现冗余服务器：一个IP地址集合可以对应同一个规范主机名

DNS的分层架构【Domain Name System】域名系统：

• 分布式数据库：一个由分层DNS服务器实现的分布式数据库
• 应用层协议：DNS服务器实现域名转换 (域名/地址转换)

客户机怎样决定主机名www.amazon.com的IP地址？

1. 客户机查询根服务器得到com DNS服务器

2. 客户机查询com DNS服务器得到amazon.comDNS服务

3. 客户机查询amazon.comDNS服务器得到www.amazon.com的IP地址

根名字服务器负责记录顶级域名服务器的信息

顶级域服务器（top-level domain servers）：负责顶级域名 com, org, net, edu, etc, 和所有国家的顶级域名 uk, fr, ca, jp.

• Network solutions 公司维护com顶级域的TLD服务器
• Educause 公司维护edu顶级域的 TLD服务器

权威DNS服务器(authoritative DNS servers):

在因特网上具有公共可访问主机（如Web服务器和邮件服务器）的每个组织机构必须提供公共可访问的DNS记录，这些记录将这些主机的名字映射为IP地址。组织机构的权威DNS服务器负责保存这些DNS记录。

• 多数大学和公司维护它们的基本权威DNS服务器

本地DNS服务器：Local DNS Name Server

• 严格来说不属于层次架构
• 每个ISP都有一个本地DNS服务器，也叫默认服务器
• 当主机发出DNS请求时，该请求被发往本地DNS服务器，起着代理的作用，转发请求到层次结构中

DNS存储资源记录（RR：Resource Records）

RR格式（name,value,type,ttl)

当type=A(Address)时，name表示主机名，value表示ip地址

当type=CNAME(canonical)时，name表示主机别名，value表示规范主机名

当type=NS（name server）时，name表示域名，value表示权威名字服务器的主机名

当type=MX(Mail Exchange)时，name表示邮件服务器的主机别名，value表示邮件服务器的真实规范主机名

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DNS协议 : 查询报文与应答报文 , 但具有同样的报文格式

P2P技术

• 没有总是在线的服务器
• 任意端系统之间直接通信
• 对等方之间可以间断连接并可以改变IP地址

一般采用集中式目录架构：例如git+github

存在问题

• 单点故障
• 性能瓶颈
• 侵犯版权

BitTorrent是一种用于文件分发的流行P2P协议。
参与一个特定文件分发的所有对等方的集合被称为一个洪流（torrent）。
一个洪流中的对等方彼此下载等长度的文件块（chunk），典型块长度为256KB。

内容分发网络(CDN)

• 将多份拷贝存储在地理上分散的不同站点来提供服务（CDN）
• 深入: 将CDN服务器部署在众多的接入网络中
  • 靠近用户
  • Akamai首创, 使用了1700多个位置
• 邀请做客: 在少量(例如10个)靠近接入网的关键位置(例如IXP)建造大集群，邀请到ISP做客
  • Limelight等使用

网络应用程序体系结构
Web应用和HTTP协议
基本术语（网页、URL等）
HTTP的特性及其区别(无状态、非持久和持久等)
请求和响应报文
COOKIE技术
Web缓存

文件传输协议FTP ：两种连接*

• 数据连接、控制连接

电子邮件：组成及其使用的协议

• SMTP
• POP
• IMPA
• HTTP

DNS的功能和实现
P2P文件共享原理和实现技术*
CDN
构造简单的web服务器*

第二章单元检测