【计算机网络：自顶向下方法】(二)应用层

tm
【计算机网络：自顶向下方法】(二)应用层

学习推荐 ： 中科大计算机网络自顶向下

应用层

如何创建一个新的网络应用?

• 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，应用进程彼此通信
  • 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
  • 网络应用只在端系统上存在 ，快速网络应用开发和部署

2.1 应用层原理

网络应用的体系结构

对等模式(P2P:Peer To Peer)

混合体：客户-服务器和对等体系结构

进程通信

分布式进程通信需要解决的问题

问题1：进程标示和寻址问题（服务用户）

• HTTP默认端口号 80 SMTP ： 25
  

问题2：传输层提供的服务-层间信息的代表

TCP上的socket

UDP上的socket

问题3：如何使用传输层提供的服务实现应用

应用层协议

• 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?
  
• 常见应用对传输服务的要求
  

Internet 传输层提供的服务

为什么要有UDP

安全&TCP

2.2 Web and HTTP

HTTP

• 超文本传输协议( HyperText Transfer Protocol) : 文本与文本之间任意指向的关系
  
• Web页面（也叫文档） : 由对象注册的，一个对象只是一个文件.
• 多数Web页面含有一个基本的HTML文件
  

HTTP连接

• 非持久HTTP连接
  
• 响应时间模型
  
• 持久HTPP
  

HTTP请求报文

• 提交表单输入
  
  
  
  

用户-服务器状态 ： cookies

Web缓存 (代理(proxy server)服务器)

• 缓存既是客户端又是 服务器
• 通常缓存是由ISP安 装 (大学、公司、居 民区ISP)
  为什么要使用Web缓存 ？
  降低客户端的请求响应时 间
  可以大大减少一个机构内 部网络与Internent接入 链路上的流量
  互联网大量采用了缓存： 可以使较弱的ICP也能够 有效提供内容
  

改进

缓存例子：安装本地缓存

• 总体延迟：  = 0.6 * (从原始服务器获取对象的 延迟) +0.4 * (从缓存获取对象的延 迟)
   = 0.6 (2.01) + 0.4 (~msecs)  = ~ 1.2 secs  比安装154Mbps链路还来得小 (而且 比较便宜!)

条件GET方法

FTP： 文件传输协议

电子邮件（EMail）

• 邮件服务器
  •  邮箱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
• 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

eg

简单的SMTP交互

• telnet servername 25
•  enter HELO, MAIL FROM, RCPT TO, DATA, QUIT commands

小结

• HTPP ：拉协议 ，用户使用HTTP从服务器拉取这些信息
• SMTP ：推协议,发送邮件服务器把文件推向接受邮件服务器。
  

邮件报文格式

POP3

DNS (53端口, 给应用程序应用的程序 )

• 负载均衡 ： DNS也用于冗余的服务器之间进行负载分配 ， 繁忙的站点被冗余分布在多台服务器上，每台服务器均运行在不同的端系统上，每个都有不同的IP地址。

DNS系统需要解决的问题

问题2：解析问题-名字服务器(NameServer)

• Value : IP

• T ： type
  

• 区域名字服务器维护资源记录

• 资源记录(resource records)

  • 作用：维护 域名-IP地址(其它)的映射关系
  • 位置：Name Server的分布式数据库中

• RR格式: (domain_name, ttl, type,class,Value)

  • Domain_name: 域名
  • Ttl: time to live : 生存时间(权威，缓冲记录)
  • Class 类别 ：对于Internet，值为IN
  • Value 值：可以是数字，域名或ASCII串
  • Type 类别：资源记录的类型—见下页

DNS协议、报文

提高性能 – > 缓存

一旦名字服务器学到了一个映射，就将该映射 缓存起来
 根服务器通常都在本地服务器中缓存着 使得根服务器不用经常被访问
目的：提高效率 可能存在的问题：如果情况变化，缓存结果和 权威资源记录不一致
解决方案：TTL（默认2天）

问题3：维护问题：新增一个域

攻击DNS

P2P

• 纯P2P架构 :  没有（或极少）一直运行的 服务器 任意端系统都可以直接通信  利用peer的服务能力  Peer节点间歇上网，每次IP 地址都有可能变化
• 例子: 文件分发 (BitTorrent) 流媒体(KanKan)  VoIP (Skype)
• 非结构化P2P ： 集中化目录 ， 完全分布式，混合
• 结构化p2p ：DHT（分布式散列表）维护环or树的有序拓扑结构( 不断深入的过程)

• 分布式命名
• 哈希值对应唯一的ID

文件分发

• 问题: 从一台服务器分发文件（大小F）到N个peer 需要多少时间？
  
• CS模式
• 
  
• 当N足够的大的时候 ，取等号
• P2P模式

BitTorrent

p2p文件共享

• 两大问题： 如何定位所需资源 如何处理对等方的 加入与离开
• 可能的方案 :集中 分散 半分散

集中式目录

泛洪 (完全分布式)

利用不匀称性：KaZaA

• KaZaA：查询
  
  

CDN

视频流化服务和CDN：上下文

• 流量大、用户多 、异构性  不同用户拥有不同的能力（例如：有线接入和移 动用户；带宽丰富和受限用户 . — > 解决方案: 分布式的，应用层面的基础设施

• 

• 由于存储下载视频 是一对一的关系，则下载未免有些慢了，于是就有了存储视频的流化服务.

• 多媒体流化服务：DASH
  
  
  

• 互联网络主机-主机之间的通信作为一种服务向用户提供
• OTT 挑战: 在拥塞的互联网上复制内容 “over the top”
  
  1 ： 流量服务器
  2、向本地DNS服务器解析
  3、返回URL
  4、 告诉他离他最近的客户端的ip地址
  6、再由kingCDN 向客户提供流化服务

Socket编程

• 目标：建立客户机/服务器的应用中的通信运用socket
• socket：相当于应用进程和点对点传输协议之间的一扇门
• socket类型：对应TCP和UDP有两种socket
  ### TCP Socket
  + 过程
  
  
  主要！！
  
  
• 重点理解堵塞 ， 堵塞的时候 可以实现多进程 。。OS的内容
• 服务器一个端口对应许多个客户端端口，每个都是独立的会话关系，对应不同的socket。老师说过要区分端口和socket的概念
• TCP端口整数代表的是一个会话关系
• TCP ： 四元组 ！ < 1， 2，3， 4>
• 一个端口只能被一个服务器进程绑定，可以被多个进程共用。
• 端口是可以共用的，而socket的整数值不一样的
  
• Welcome socket : 返回一个整数

socket俩个重要的数据结构

// IP地址和port捆绑关系的数据结构（标示进程的端节点）
struct sockaddr_in { 
    short sin_family; //地址族
    u_short sin_port;// port端口
    struct in_addr ,sin_addr; //IP 地址
    char sin_zero[8]; // align  对齐
};

//数据结构 hostent 域名和IP地址的数据结构
struct hostent { 
    char *h_name;//主机域名
    char **h_aliases; //数组存储 主机别名  
    int h_addrtype; 
    int h_length; /*地址长度*/
    char **h_addr_list; // 数组存储 IP地址
    #define h_addr h_addr_list[0];
};
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17

UDPsocket 编程

UDP提供的是一种不可靠的数据流传输，传输过程中可能会丢包，接收的时候顺序也可能被打乱。

UDP：客户机与服务器之间没有连接

• 发送数据前不需要握手
• 发送数据包附加IP地址+端口号
• 接收方从数据包中提取处IP地址+端口号
  UDP中的socket编程示例
• 下面俩个程序的作用是 在用户端发送字符串给服务端, 然后服务端把字符串修改为大写在发送给客户端
• 这里jupyter notebook中进行编程，安装好jupyter notebook后，在命令行执行 （我用的vscode）UDPServer.ipynb

from socket import * #引入socket库

serverPort = 12000 #服务器端口号
serverSocket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM) #创建服务器套接字
serverSocket.bind(('', serverPort)) #给套接字绑定端口号
print('The server is ready to receive.')

while True: #服务器要一直在线等待，所以给一个死循环
    message, clientAddress = serverSocket.recvfrom(2048) #从服务器套接字中读取信息（发送的消息和客户机IP地址+端口号）
    modifiedMessage = message.decode().upper() #对消息进行处理（此处是改大写）
    
    serverSocket.sendto(modifiedMessage.encode(), clientAddress) #将处理后的消息发回给客户机
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

UDPClient.ipynb

from socket import * #引入socket库

serverName = gethostname() #由于没得服务器，服务器主机用本机来当
serverPort = 12000 #服务器端口号
clientSocket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM) #创建客户机套接字

message = input('Input lowercase sentence:') #得到输入字符串
clientSocket.sendto(message.encode(),(serverName, serverPort)) #发送数据到相应主机名+端口号的服务器进程

modifiedMessage, serverAddress = clientSocket.recvfrom(2048) #接收服务器发回的消息
print(modifiedMessage.decode()) #显示接收的字符串

clientSocket.close() #关闭客户机socket
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13

运行过程

• 必须先运行服务器端

TCPsocket 编程

• 服务器的先行准备
  • 服务器必须先运行
  • 服务器需要创建socket来连接客户机
• 客户机连接服务器
  • 客户机需要创建自己的socket，明确服务器进程的IP地址和端口号
  • 客户机创建socket时，客户机和服务器之间需建立TCP连接
• 服务器接收客户机消息
  • 服务器需创建一个新的socket，为了服务器进程能够和客户机进行通信
    • 要运行服务器与多个客户机进行通信
    • 用源的端口号来区分不同的客户机

TCP提供的是一种可靠的字节流（byte-stream）传输（pipe）。

TCP中的socket编程示例

• TCP服务器代码
  TCPServer.ipynb

from socket import * #引入socket库

serverPort = 12000 #服务器端口号
serverSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM) #创建服务器套接字（前台）
serverSocket.bind(('', serverPort)) #给套接字绑定端口号
serverSocket.listen(1)
print('The server is ready to receive.')

while True: #服务器要一直在线等待，所以给一个死循环
    connectionSocket, addr = serverSocket.accept() #前台套接字接收到请求后，创建一个新的套接字（窗口）
    
    sentence = connectionSocket.recv(1024).decode() #窗口套接字读取信息
    capitalizedSentence = sentence.upper() #对消息进行处理（此处是改大写）
    
    connectionSocket.send(capitalizedSentence.encode()) #将处理后的信息发回给客户机
    
    connectionSocket.close() #关闭窗口套接字，前台套接字保持开放
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17

• TCP客户机代码
  TCPClient.ipynb

from socket import * #引入socket库

serverName = gethostname() #由于没得服务器，服务器主机用本机来当
serverPort = 12000 #服务器端口号
clientSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM) #创建客户机套接字(类型为字节流SOCK_STREAM)
clientSocket.connect((serverName, serverPort)) #TCP连接

sentence = input('Input lowercase sentence:') #得到输入字符串
clientSocket.send(sentence.encode()) #发送数据到服务器

modifiedSentence = clientSocket.recv(1024) #接收服务器发回的消息
print('From server:', modifiedSentence.decode()) #显示接收的字符串

clientSocket.close() #关闭客户机socket
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14

• 有BUG 待解决 ！！

• 待补充C++版本

• py版本

🌹感谢阅读🌹