本章分为三个部分：

  • 原理
    • 传输层的服务模型
    • 客户-服务器模式
    • 对等模式(peer-to-peer)
    • 内容方法网络
  • 实例
    • HTTP
    • FTP
    • SMTP/POP3/IMAP
    • DNS
  • 编程
    • Socket API

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应用层协议原理

客户-服务器模式(C/S:client/server)

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  • 主要在于扩展性差，且客户端多于阈值，服务器的性能会断崖式地下降
  • 可靠性也差

对等模式(P2P)

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混合体：CS和P2P体系结构

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进程通信

进程：在主机上运行的应用程序

客户端进程：发起通讯的进程

服务器进程：等待连接的进程

  • 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，交换报文(Message)来通信
    • 使用OS提供的通讯服务
    • 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

分布式进程通讯需要解决的问题

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  • 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 : socket API)
  • 问题3：如何使用传输层提供的服务，实现应用进程间的报文交换，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，调用网络基础设备提供通讯服务传报文，实现使用时序等

问题1：对进程进行编址(addressing)

  • 进程为了接收报文，必须有一个标识即SAP（发送也需要标示)

    • 主机：唯一的32位IP地址
      • 仅仅有IP地址不能够唯一标示出一个进程；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(Port Numbers)

  • 一些知名端口号的例子

    • 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讯由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(对本层来说：SDU)
    • 谁传的：自己的应用进程标示：IP+TCP(UDP)端口
    • 传给谁：对方的应用进程标示：对方的IP+TCP(UDP)端口号
  • 传输层实体(tcp或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-需要穿过层间的代表

  • 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

    • 所以使用socket来替代自己和对方的IP的信息

  • 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
    • 可以用一个整数表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 ，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

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TCP socket是存在本地的，因此应用层传给传输层后，传输层会查socket表来得到IP

问题2：传输层提供的服务-层间信息代码

  • UDP socket:
    • UDP服务，两个进程间的通讯需要前无需建立连接
      • 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外一个分布式进程
    • 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）
    • 在发送数据报时，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(另外一个段节点)

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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在另一侧门将报文交付给接收进程
    • 接收进程从另一侧门收到报文(依赖于传输层设施)

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问题3：如何使用传输层提供的服务实现应用

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  • 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

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应用需要传输层提供什么样的服务？如何描述传输层的服务？

  • 数据丢失率
  • 吞吐
  • 延迟
  • 安全性

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常见应用对传输服务的要求

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Internet传输层提供的服务

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UDP存在的必要性

  • 能够区分不同的进程，而IP服务不行
    • 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，省去了建立连接时间，适合事务性应用
  • 不做可靠性的工作，例如检错重发，适合那些对实时性要求高且正确率要求不高的应用
    • 因为未了实现可靠性(正确性，保序等)，必须付出时间代价
  • 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数据是不一致的，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层协议

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安全TCP

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Web and HTTP

一些术语

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HTTP概况

HTTP：超文本传输协议

  • Web的应用层协议
  • 客户/服务器模式
    • 客户：请求、接收和显示Web对象的浏览器
    • 服务器：对请求进行响应，发送对象的Web服务器
  • HTTP 1.0: RFC 1945
  • HTTP 1.1: RFC 2068

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  • 使用TCP：
    • 客户发起一个与服务器的TCP连接(建立套接字)，端口号为80
    • 服务器接受客户的TCP连接
    • 在浏览器(HTTP客户端)与Web服务器(HTTP服务器server)交换HTTP报文(应用层协议报文)
    • TCP连接关闭
  • HTTP是无状态的
    • 服务器并不维护关于客户的任何信息
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HTTP连接

  • 非持久HTTP

    • 最多只有一个对象在TCP连接上发送

    • 下载多个对象需要多个TCP连接

    • HTTP/1.0使用非持久连接

  • 持久HTTP

    • 多个对象可以在一个(在客户端和服务器之间的)TCP连接上传输

    • HTTP/1.1默认使用持久连接

非持久HTTP连接

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响应时间模型

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持久HTTP

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HTTP请求报文

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通用格式

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提交表单输入

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方法类型

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HTTP响应报文

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HTTP响应状态码

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cookies

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Web缓存(代理服务器)

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实例

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条件GET方法

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FTP*

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Email、SMTP、POP3、IMAP

Email电子邮件

三个组成部分

  • 用户代理
  • 邮件服务器
  • 简单邮箱传输协议：SMTP

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用户代理

  • 又名“邮件阅读器”
  • 撰写，编辑和阅读邮件
  • 如Outlook
  • 输出和输入邮件保存在服务器上

邮件服务器

  • 邮件中管理和维护发送给用户的邮件
  • 输出报文队列保持待发送邮件报文
  • 邮件服务器之间的SMTP协议: 发送email报文
    • 客户：发送方邮件服务器
    • 服务器：接收端邮件服务器

Email: SMTP{RFC 2821}

  • 使用TCP在客户端和服务器之间传送报文，端口号为25
  • 直接传输：从发送方服务器到接收方服务器
  • 传输的3个阶段
    • 握手
    • 传输报文
    • 关闭
  • 命令/响应交互
    • 命令：ASCII文本
    • 响应：状态码和状态信息
  • 报文必须为7位ASCII码

例子

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简单的SMTP交互

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SMTP：总结

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邮件报文格式

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报文格式：多媒体扩展

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邮箱访问协议

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  • SMTP：传送到接收方的邮件服务器
  • 邮件访问协议：从服务器访问邮件
    • POP：邮局访问协议(Post Office Protocol)[RFC 1939]
      • 用户身份确认(代理<->服务器)并下载
    • IMAP: Internet邮件访问协议(Internet Mail Access Protocao)[RFC 1730]
      • 更多特性
      • 在服务器上处理存储的报文
    • HTTP:Hotmailm Yahoo! Mail等
      • 方便

POP3协议

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POP3与IMAP

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DNS(域名解析)

P2P应用

CDN

TCP套接字(Socket)编程

UDP套接字编程