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应用层协议原理

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第2章应用层
- 2.1 应用层协议原理

第2章应用层

目标：

网络应用的原理：网络应用协议的概念和实现方面
- 传输层的服务模型
- 客户-服务器模式
- 对等模式（peer-to-peer）
- 内容分发网络
网络应用的实例：互联网流行的应用层协议
- HTTP
- FTP
- SMTP/POP3/IMAP
- DNS
编程：网络应用程序
- Socket API

一些网络应用的例子

E-mail
Web
文本信息
远程登录
P2P文件共享
即时通信
多用户网络游戏
流媒体（YouTube,Hulu,Netflix）
Internet电话
实时电话会议
社交网络
搜索
…
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 应用层协议原理

2.1.1 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:client/server）
对等模式（P2P:Peer To Peer）
混合体：客户-服务器和对等体系结构

客户-服务器（C/S）体系架构
- 服务器
  - 一直运行
  - 固定的IP地址和周知的端口号（约定）
  - 扩展性：服务器场
    - 数据中心进行扩展
    - 扩展性差
- 客户端
  - 主动与服务器通信
  - 与互联网有间歇性的连接
  - 可能是动态IP地址
  - 不直接与其它客户端通信
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
  - 自扩展性-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
- 例子：Gnutella,迅雷
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
    - 主机向中心服务器查询资源位置
  - 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。
  - 两个用户之间的聊天：P2P

2.1.2 进程通信

进程：在主机上运行的应用程序客户端进程：发起通信的进程服务器进程：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，通过交换报文（Message）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

2.1.3 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）
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；

2.1.4 问题1:对进程进行编址（addressing）

进程为了接受报文，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 21
一个进程：用IP+port标识端节点
本质上，一对主机进程之间的通信由2个端节点构成

2.1.5 问题2:传输层提供的服务-需要穿过层间的信息

层间接口比需要携带的信息
- 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识：IP+TCP(UDP)端口
- 传给谁：对方的应用进程的标识：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报文段）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

2.1.6 问题2:传输层提供的服务-层间信息的代表

如果SocketAPI每次都传输报文，都携带如此多的信息，太繁琐易错，不便于管理
用个代号标识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，本地标识
- 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
  奶牛快传：8w1p4m

2.1.7 TCP之上的套接字（socket）

对于使用面向连接服务（TCP）的应用而言，字是4元祖的一个具有本地意义的标识
- 4元祖：（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）
- 应用使用这个标识，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元祖
- 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：用于指明应用进程会话的本地标识

2.1.8 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
  - 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识
  - 因为这个报文可能传给另外一个分布式进程1
- 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

2.1.9 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元祖的一个具有本地意义的标识

2元祖：IP,port（源端指定）
UDP套接字指定了应用所在的端节点（end point）
在发送数据报时，采用创建好的本地套接字（标识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）
UDP socket：用于指明应用进程所在端节点的本地标识

2.1.10 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）

2.1.11 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。

2.1.12 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
  专有协议：
- 协议不公开
- 如：Skype

2.1.13 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

有些应用要求100%的可靠数据传输（如文件）
有些应用（如音频）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（如多媒体）必须需要最小限度的吞吐，从而使得应用能够有效流转
一些应用能充分利用可供使用的吞吐（弹性利用）

安全性

机密性
完整性
可认证性（鉴别）

2.1.14 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	不能丢失	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	同上	是，100ms
即时讯息	不能丢失	弹性	是和不是

2.1.15 Internet传输层提供的服务

TCP服务

可靠的传输服务
流量控制：发送方不会淹没接收方
拥塞控制：当网络出现拥塞时，能抑制发送方
不能提供的服务：时间保证、最小吞吐保证和安全
面向连接：要求在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、带宽保证、建立连接
为什么要有UDP？

2.1.16 UDP存在的必要性

能够区别不同的进程，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高的应用
- 因为为了实现可靠性（准确性、保序等），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

2.1.17 Internet应用及其应用层协议和传输层协议

应用	应用层协议	下层的传输协议
e-mail	SMTP[RFC 2821]	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	专用协议（如ReakNetworks）	TCP或UDP
Internet电话	专用协议（如Net2Phone）	TCP或UDP