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计算机网络——08应用层原理

应用层原理

创建一个新的网络

编程

  • 在不同的端系统上运行
  • 通过网络基础设施提供的服务，应用进程批次通信
  • 如Web
    • Web服务器软件与浏览器软件通信

网络核心中没有应用层软件

  • 网络核心没有应用层功能
  • 网络应用只能在端系统上存在
    • 快速网络应用开发和部署

网络应用的体系架构

可能的应用架构

  • 客户-服务器模式（C/S）
  • 对等模式（P2P）
  • 混合体：客户-服务器和对等体系结构

客户-服务器（C/S）体系结构

  • 服务器
    • 一直运行
    • 固定的IP和周知的端口号（约定）
    • 扩展性：服务器场
      • 数据中心进行拓展
      • 拓展性差
  • 客户端
    • 主动与服务器通信
    • 与互连网有间歇性的连接
    • 可能是动态IP地址
    • 不直接与其他客户端通信
  • 缺点
    • 可拓展性差
    • 达到一定能限，性能暴跌
    • 可靠性差

计算机网络——08应用层原理_第1张图片

对等体（P2P）体系结构

  • （几乎）没有一直运行的服务器
  • 任意端系统之间可以进行通信
  • 每一个节点既是客户端又是服务器
    • 自拓展性-新peer节点带来新的服务能力，当然也带来新的服务请求
  • 参与的主机间歇性连接且可以改变IP地址
    • 难以管理

C/S和P2P体系结构的混合体

Napster

  • 文件搜索：集中
    • 主机在中心服务器上注册其资源
    • 主机向中心服务器铲鲟资源位置
  • 文件传输：P2P
    • 任意Peer节点之间

即时通信

  • 在线检测：集中
    • 当用户上线时，向中心服务器注册其IP地址
    • 用户与中心服务器联系，以找到其在线好友的位置
  • 两个用户之间聊天：P2P

进程通信

进程：在主机上运行的应用程序

  • 在同一个主机内，使用进程间通信机制通信（操作系统定义）
  • 不同主机，通过交换报文来通信
    • 使用OS提供的通信服务
    • 按照应用协议交换报文
      • 借助传输层提供的服务
  • 注意：P2P架构的应用也有客户端进程和服务器进程之分

客户端进程：发起通信的进程

服务器进程：等待连接的进程

分布式进程通信需要解决的问题

计算机网络——08应用层原理_第2张图片

  • 问题1：进程标示和寻址问题（服务用户）
  • 问题2：传输层-应用层提供服务是如何（服务）
    • 位置：层间界面的SAP（TCP/IP:socket）
    • 形式：应用程序接口API（TCP/IP:socke API）
  • 问题3：如何使用传输层提供的服务，实现应用进程之间的报文交换，实现应用（用户使用服务）
    • 定义应用层协议：报文格式、解释、时序等
    • 编制程序：使用OS提供的API，调用网络基础设施提供通信服务传报文，实现应用时序等

问题1：对进程进行编址

  • 进程为了接收报文必须有一个标识，即SAP（发送也需要标识）
    • 主机：唯一的32位IP地址
      • 仅仅有IP地址不能够唯一标示一个进程：在一台端系统上有很多应用进程在运行
    • 所采用的传输层协议：TCP or UDP
    • 端口号
  • 一些知名端口号例子：
    • HTTP:TCP 80 Mail:TCP25 ftp:TCP 2
  • 一个进程：用IP + port标示端节点
  • 本质上，一对主机进程之间的通信由 2 个端节点构成

问题2：传输层提供的服务-需要穿过层间的信息

  • 层间接口必须要携带的信息
    • 要传输的报文（对于本层来说：SDU）
    • 谁传的：对方的应用进程的标示：IP + TCP(UDP) 端口
    • 传给谁：对方的应用进程的标示：对方的IP + TCP(UDP) 端口号
  • 传输层实体（tcp或者udp实体）根据这些信息进行TCP报文段（UDP数据报）的封装
    • 源端口号，目标端口号，数据等
    • 将IP地址往下交IP实体，用于封装IP数据报：源IP，目标IP

问题2：传输层提供的服务-层间信息的代表

  • 如果Socket API每次传输报文，都携带如此多的信息，太繁琐易错，不便于管理
  • 用个代号标示通信的双方或者单方：socket
  • 就像OS打开文件返回的句柄一样
    • 对句柄的操作，就是对文件的操作
  • TCP socket:
    • TCP服务，两个进程之间的通信需要之前要建立连接
      • 两个进程通信会持续一段时间，通信关系稳定
    • 可以用一个整数标示两个应用实体之间的通信关系，本地标示
    • 穿过层间接口的信息量最小
    • TCP socket：源IP，源端口，目标IP，目标端口

TCP之上的套接字（socket）

  • 对于使用面向连接服务（TCP）的应用而言，套接字是 4 元组的一个具有本地意义的标示
    • 4 元组：（源IP、源port、目标IP、目标port）
    • 唯一的指定了一个会话（ 2 个进程之间的会话关系）
    • 应用使用这个标示，与远程的应用进程通信
    • 不必在每一个报文的发送都要指定这 4 元组
    • 就像使用操作系统打开一个文件，OS返回一个文件句柄一样，以后使用这个文件句柄，而不是使用这个文件的目录名、文件名
    • 简单、便于管理

TCP socket

计算机网络——08应用层原理_第3张图片

计算机网络——08应用层原理_第4张图片

问题2：传输层提供的服务-层间信息代码

  • UDP socket:
    • UDP服务，两个进程之间的通信需要之前无需建立连接
      • 每个报文都是独立传输的
      • 前后报文可能给不同的分布式进程
    • 因此，只能用一个整数表示本应用实体的标示
      • 因为这个报文可能传给另一个分布式进程
    • 穿过层间接口的信息大小最小
    • UDP socket：本IP，本端口
    • 但是传输报文时，必须要提供对方IP，port
      • 接收报文时，传输层需要上传对方的IP，port

UDP之上的套接字（socket）

  • 对于使用无连接服务（UDP）的应用而言，套接字是2元组的一个具有本地意义的标示
    • 2 元组：IP、port（源端指定）
    • UDP套接字指定了应用所在的一个端节点（end point）
    • 在发送数据时，采用创建好的本地套接字（标示ID），就不必在发送每个报文中指明自己所采用的ip和port
    • 但是在发送报文时，必须要指定对方的ip和udp，port（另外一个端节点）

套接字(Socket)

  • 进程向套接字发送报文或从套接字接收报文
  • 套接字<->门户
    • 发送进程将报文推出门户，发送进程依赖于传输层设施另外一侧的门将报文交付给接受进程
    • 接收进程从另外一端的门户收到报文（依赖于传输层设施）

问题3：如何使用传输层提供的服务实现应用

  • 定义应用层协议、报文格式、解释、时序等
  • 编制程序，通过API调用网络基础设施提供通信服务传报文，解析报文，实现应用时序等

应用层协议

  • 定义了：运行在不同端系统上的应用进程如何相互交换报文
    • 交换的报文类型：请求和应答报文
    • 各种报文类型的语法:报文中的各个字段及其描述
    • 字段的语义：即字段取值的含义
    • 进程何时，如何发送报文及对报文进行响应的规则
  • 应用协议仅仅是应用的一个组成部分
    • Web应用：HTTP协议、web客户端、web服务器、HTML

公开协议:

  • 由RFC文档定义
  • 允许互操作
  • 如HTTP、SMTP

专有（私有）协议：

  • 协议不公开
  • 如：Skype

应用需要传输层提供什么样的服务

数据丢失率

  • 有些应用则要求100%的可靠数据传输
  • 有些应用能容忍一定比例以下的数据丢失

延迟

  • 一些应用出于有效性考虑，对数据传输有严格的时间限制
    • Internet电话、交互式游戏
    • 延迟，延迟差

吞吐

  • 一些应用必须需要最小限度的吞吐，从而使得应用能够有效运转
  • 一些应用能充分利用可供使用的吞吐（弹性应用）

安全性

  • 机密性
  • 完整性
  • 可认证性（鉴别）

常见应用对传输服务的要求

应用 数据丢失率 吞吐 时间敏感性
文件传输 不能丢失 弹性 不
e-mail 不能丢失 弹性 不
Web文档 不嫩柜式 弹性 不
实时音视频 容忍丢失 音频：5kbps-1Mbps，视频：100kbps-5Mbps 是，100ms
存储音视频 容忍丢失 同上 是，几秒
交互式游戏 容忍丢失 kbps-10kbps 是，100ms
即时讯息 不能丢失 弹性 是和不是

Internet传输层提供的服务

TCP服务：

  • 可靠的传输服务
  • 流量控制：发送方不会淹没接受方
  • 拥塞控制：当网络出现拥塞时，最小吞吐保证和安全
  • 面向连接：要求客户端进程和服务器进程之间建立连接

UDP服务

  • 不可靠数据传输
  • 不提供的服务：可靠、流量控制、拥塞控制、时间、带宽控制、建立连接

UDP存在的必要性

  • 能够区分不同的进程，而IP服务不能
    • 在IP提供的主机到主机端到端功能的基础上，区分了主机的应用进程
  • 无需建立连接，省去了建立连接的时间，适合事务性的应用
  • 不做可靠性的工作，例如检错重发，适合那些对实时性要求比较高而对正确性要求不告而应用
    • 因为为了实现可靠性（准确性、保存等），必须付出时间代价（检错重发）
  • 没有拥塞控制和流量控制，应用能够按照设定的速度发送数据
    • 而在TCP上面的应用，应用发送数据的速度和主机向网络发送的实际速度是不一致的，因为有流量控制和拥塞控制

Internet应用及其应用层协议和传输协议

应用 应用层协议 下层传输的协议
e-mail SMTP[RFC 2821] TCP
远程终端访问 Telent[RFC 854] TCP
Web HTTP[RFC 2616] TCP
文件传输 FTP[RFC 959] TCP
流媒体 专用协议 TCP或UDP
Internet电话 专用协议 TCP或UDP

安全TCP

TCP & UDP

  • 都没有加密
  • 明文通过互联网传输，甚至密码

SSL

  • 在TCP上面实现，提供加密的TCP连接
  • 私密性
  • 数据完整性
  • 端到端的鉴别

SSL在应用层

  • 应用采用SSL库，SSL库使用TCP通信

SSL socket API

  • 应用通过API将明文交给socket，SSL将其加密在互联网上传输

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       今天看了篇文章，震动很大，说的是美国的福利。    美国医院的无偿入院真的是个好措施。小小的改善，对于社会是大大的信心。小孩，税费等，政府不收反补，真的体现了人文主义。    美国这么高的社会保障会不会使人变懒？答案是否定的。正因为政府解决了后顾之忧，人们才得以倾尽精力去做一些有创造力，更造福社会的事情，这竟成了美国社会思想、人
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按字母分类： ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ其他