【计算机网络】应用层

应用层协议原理

• 客户-服务器体系结构：
  特点：客户之间不能直接通信；服务器具有周知的，固定的地址，该地址称为IP地址。
  配备大量主机的数据中心常被用于创建强大的虚拟服务器；
• P2P体系结构：
  特点：对位于数据中心的专用服务器有最小（或者没有）依赖
  P2P最引人入胜的特征之一是它具自扩展性：尽管每个对等方都由于请求文件产生工作负荷，但是每个对等方通过向其他对等方发送文件也为系统增加服务能力。
• 进程通信：
  套接字是同一台主机内应用层与运输层之间的接口，也被称为应用程序和网络之间的应用程序编程接口（API）。
• 进程寻址：
  在因特网中，主机由其IP地址标识，而目的主机中到底是哪个应用程序？它由端口号表示。
• 可供应用程序使用的运输服务：
  1. 可靠数据传输：
     应用程序的一端发送的数据正确，完全地交付给该应用程序的另一端，如果一个协议提供了这样的确保数据交付服务，我们就认为提供了可靠数据传输服务。
  2. 吞吐量
  3. 定时
  4. 安全性
• 因特网提供的运输服务：
  1. TCP服务：
     TCP服务模型包括面向连接服务和可靠数据传输服务。除此之外，TCP还提供拥塞控制机制。
     SSL：安全套接字层
  2. UDP服务：
     UDP是一种不提供不必要服务轻量级运输协议。

Web和HTTP

Web的应用层协议是HTTP（超文本传输协议）协议，它是Web的核心。
HTTP使用TCP作为它的支撑运输协议
HTTP是一个无状态协议。
HTTP在默认情况下使用持续连接。

1.HTTP报文格式

1. HTTP请求报文：

   GET /somedir/page.html HTTP/1.1
   Host:www.someschool.edu
   Connection:close
   Uset-agent:Mozilla/5.0
   Accept-language:fr
   

   HTTP请求报文的第一行被称作请求行，其后继的行叫做首部行。
   请求行有三个字段：方法字段，URL字段和HTTP版本字段。
   在方法字段中是，可以包括GET，POST，HEAD，PUT和DELETE，绝大部分的HTTP请求报文都使用GET方法。
   URL字段中包含了请求对象的标识。
   版本字段是自解释的。
   首部行Host：www.someschool.edu指明了对象所在的主机。
   通过包含Connection：close首部行，告诉服务器不必要使用持续链接，在发送完被请求的对象之后就关闭连接。
   User-agent：向服务器指明用户代理，即浏览器类型，以便于服务器发送对象的不同版本（如果有的话）。
   Accept-language：告诉浏览器用户想得到的对象的语法版本（如果有的话）。
   

• 其中，使用POST方法的时候才使用实体体，例如，用户向搜索引擎搜索关键词时，实体体中就是用户在表单字段输入的值。
  用表单生成的请求报文不是必须使用POST方法！，例如www.somesite.com/animalsearch?monkes&bananas这时用户输入的内容就是moknkey和banana。

• HEAD方法类似与GET方法，但是服务器不返回请求对象，应用程序开发者通常使用HEAD方法进行调试跟踪。

• PUT方法通常与web发行工具联合使用，它允许用户上传对象到指定的Web服务器上的指定路径（目录）。

• PUT也常被那些需要向Web服务器上传对象的一个用程序使用。

• DELETE方法允许用户或者应用程序伤处Web服务器上的对象。

• HTTP响应报文

  HTTP/1.1 OK
  Connection:close
  Date:Tue,18 Aug 2015 15:11:33 GMT
  Sever:Apache/2.2.3 (CentOS)
  Last-Modified:Tue,18 Aug 2015 15:11:03 GTM
  Content-Length:6821
  Contect-Type:text/html
  (data data data data ... )
  

  我们来看看这个响应报文：它有三个部分：状态行，首部行和实体体，这是上面那个请求报文的响应报文。
  我们来看看首部行：

  • Connection close：服务器用这个首部行告诉客户：发送完报文后，我将关闭TCP连接
  • Dtae：指示服务器产生并且发送该报文的日期和时间
  • Sercer：服务器的版本，这里指示该服务器时Apache Web服务器
  • Last-Modified：所请求的对象创建或者最后修改的时间
  • Content-Length：指示了被发送对象中的字节数
  • Content-Type：指示了实体体中的对象是什么类型，对象类型应该正式地由该首部行指示，而不是根据文件扩展名来展示
  • 响应报文格式：
    

2.cookie：

cookie技术含有四个组件：

1. 在HTTP响应报文中的一个cookie首部行
2. 在HTTP请求报文中的一个cookie首部行
3. 在用户端系统中有一个cookie文件，并且由用户浏览器管理
4. 位于Web站点的一个后端数据库

3.Web缓存：

Web缓存器也叫做代理服务器。简单来说，就是在客户端与服务器之间，安装一个Web缓存器，该缓存器靠近客户端，当客户访问一个Web页面时，HTTP请求报文被Web缓存服务器接收，如果该Web缓存服务器上有客户请求的对象，则直接返回给客户，如果没有的话，则由该Web缓存服务器向Web服务器发送HTTP请求，Web服务器返回的对象由该Web缓存服务器接受并保存，然后返回给客户，这样，当第二次访问或者被配置到该Web缓存服务器的客户访问该站点的时候，Web缓存服务器就能快速做出回应。
Web缓存服务器的优势：

1. 大大减少客户请求响应的时间。
2. 大大减少一个机构的介入链路到互联网的通信量。

4.条件GET方法：

回想我们上面讲过的Web缓存，你有没有发现一个问题？就是如果一个Web页面被Web缓存器保存了，如果说，Web服务器后来更新了该页面，那么不是会出现问题吗？
解决这个问题的方法就是条件GET方法：
当用户请求某个页面的时候（正好该Web缓存服务器上有缓存），那么该Web缓存服务器就向Web服务器发送一个条件GET报文：

GET /fruit/kiwi.gif HTTP/1.1
Host:www.exotiquecuisine.com
If-modified-since:Wed,9 Sep 2015 09:23:24

这里需要注意：这里的If-Modified_since首部行的值，就是该Web缓存服务器中，上一次接收到该对象的Last-Modified时间，也就是说，该Web缓存器告诉Web服务器：如果这个时间之后你们改变了对象，那么你就把新的给我发过来。
如果该对象没有被改变，则Web服务器发送响应报文：

HTTP/1l1 304 Not Modified
Date:Sat,10 Oct 2015 15:39:29
Server:Apache/1.3.0(Unix)
(empty extity body)

注意该响应报文中并没有包含对象，如果说，Web服务器上没有更新该对象的话，那么此报文中包含对象只会浪费带宽。

英特网中的电子邮件

邮箱系统的组成部分：用户代理，邮件服务器，简单邮件传输协议（STMP），信箱

• STMP与HTTP的对比：
  1. HTTP是一个“拉协议”，而STMP是一个“推协议”
  2. STMP要求每个报文使用7字节ASCII码形式，而HTTP数据不受这个限制
• 邮件访问协议：
  用户之间发送邮件的时候，邮件被保存在了我的邮箱代理中了，但是我怎么查看邮件？STMP是一个推协议，我不能拉回来呀，所以就出现了邮件访问协议，目前流行的邮件访问协议有：第三版的邮局协议（POP3），因特网邮件访问协议（IMAP）以及HTTP。

DNS（域名系统）：英特网的目录服务

因特网上的主机像人一样，我们也希望标识，主机可以使用主机名和IP地址来标识，但是我们更倾向于记住它的主机名而不是IP地址，所以，需要在主机名和IP地址之间进行转化，DNS就承担了这项任务。
DNS是：①一个有分层的DNS服务器实现的分布式数据库，②一个使得主机能够查询分布式数据库的应用层协议。
DNS协议运行在UDP之上，使用53号端口。
除了进行主机名到IP地址的转换之外，DNS还提供了一些重要的任务：

• 主机别名
• 邮件服务器别名
• 负载分配

DNS工作机理概述：

1. DNS一种简单的设计是在英特网上只用一个DNS服务器，该服务器包含所有的映射。
   但是这种设计肯定存在很多问题：
   • 单点故障：如果说这个服务器发生了故障，整个因特网将瘫痪！
   • 通信容量：这个服务器要处理来自因特网上所有的DNS查询。
   • 远距离的集中式数据库：有时候真的可能要跨越半个地球！这中间可能有低俗的拥塞链路，那将会特别慢！
   • 维护：如果说出现了一个新的主机，他就要维护。

那么解决方法有哪些？我们来看看：

1. 分布式，层次数据库：
   其中包括：根DNS服务器，顶级域（DNS）服务器，权威DNS服务器，还包括本地DNS服务器，但是要注意本地DNS服务器不属于该服务器的层次结构！
   在实践中，通常从请求主机到本地DNS服务器的查询是递归查询，其他的查询都是迭代查询。
2. DNS缓存
   因为有缓存机制的存在，除了少数DNS查询以外，跟服务器都被绕过了。

P2P文件分发

我们之前讲述的客户-服务器的体系结构，总是要求服务器是打开的，使用P2P体系结构，能够对总是打开的基础设置服务器有最小的（甚至没有）依赖。
对等方不仅是比特的消费者，还是它们的重新分发者。

视频流和文件分发网

HTTP
经HTTP的动态适应性流（Dynamic Adaptive Streaming over HTTP）（DASH）

• 内容分发网（CDN）
  专用CND和第三方CND

套接字编程

• UDP套接字编程：
  UDPClient.py：

  from socket import *
  serverName = 'hostname'
  serverPort = 12000
  clientSocket = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
  message = raw_input('Input lowercase sentencte:')
  clientSocket.sendto(message.encode(),(serverName,serverPort))
  modifiedMessage,serverAddress = clientSocket.recvfrom(2048)
  print(modifiedMessage.decode())
  clientSocket.close()
  

  UDPServer.py:

  from socket import *
  serverPort = 12000
  serverSocket = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
  serverSocket.bind('',serverPort)
  print("The server is ready to receive")
  while True:
      message,clientAddress = serverSocket.recvfrom(2048)
      modifiedMessage = message.decode().upper()
      serverSocket.sendto(modifiedMessage.encode(),clientAddress)
  

• TCP套接字编程：
  TCPClient.py:

  from socket import *
  serverName = 'servername'
  serverPort = 12000
  clientSocket = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
  clientSocket.connect((serverName,serverPort))
  sentence = raw_input('Input lowercase sentence')
  clientSocket.send(sentence.encode())
  modifiedSentence = clientSocket.recv(1024)
  print('From Server: ',modifiedSentence.decode())
  clientSocket.close()
  

  TCPServer.py：

  from socket import *
  serverPort = 12000
  serverSocket = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
  serverSocket.bind(('',serverPort))
  serverSocket.listen(1)
  print('The Server is ready to receive')
  while True:
      connectionSocket,addr = serverSocket.accept()
      sentence = connectionSocket.recv(1024).decode()
      capitalizedSentence = sentence.upper()
      connectionSocket.send(capitalizedSentence.encode())
      connectionSocket.close()