第二章第一节 应用层协议原理

网络应用是计算机网络存在的理由，在本章中，我们学习有关网络应用的原理和实现方面的知识。我们学习包括应用沉香谷所需要的网络服务、客户和服务器、进程和运输层接口。

我们详细考察几种网络应用程序，包括Web、电子邮件、DNS 和 P2P文件分发。

Outline

• 网络应用程序体系结构
• 进程通信
• 因特网提供的运输服务
  • TCP
  • UDP
• 应用层协议

Notes

## 应用程序体系结构

应用程序体系结构由应用程序研发者设计，规定了如何在各种端系统上组织该应用程序。

三种程序结构为：客户 - 服务器体系结构、对等(P2P)体系结构和混合结构

【客户-服务器体系结构】

• 定义：有一个总是打开的主机称为服务器，它服务于来自许多其他称为客户的主机的请求
• 服务器
  • 对外提供不间断服务
  • 服务器具有固定的、周知的地址（IP地址）
  • 利用大量服务器实现可扩展性（数据中心）
• 客户端
  • 客户端使用服务，间歇性接入网络
  • 可能使用动态的IP地址
  • 客户端之间不相互通信
• 栗子：Web服务器、FTP、电子邮件

【P2P体系结构】

• 特点：
  • 对于位于数据中心的专用服务器有最小（或没有）的依赖
  • 任意端系统/节点可以直接通信，这些主机被称为对等方
  • 端系统间歇性接入网络，可能改变IP地址
• 栗子（流量密集型应用）：文件共享、对等方协助下载加速器(迅雷)、因特网电话等
• 优点：自扩展性（成本可控、通过与其他对等方分发文件以增加服务能力）
• 缺点：难以管理
• 三大挑战：
  • ISP友好：大多数住宅ISP的下载要比上载多得多，ISP已经受制于非对称的带宽应用
  • 安全性：因为高度分布和开放特性，P2P给安全带来挑战
  • 激励：要税负用户资源提供带宽、存储和计算资源

【混合结构】

P2P难于管理，那我们就混入C/S的集中管理。C/S中服务器压力过大，我们就混入P2P中的P们来为它减轻负担。Napster就是这样做的。

Napster：文件传输使用P2P结构，文件搜索使用C/S结构

## 进程通信

• 进程：一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度运行的基本单位
• 如果同一主机上运行的进程想互相通信，它们可以通过进程间通信机制来完成，这种机制是由操作系统提供的
• 在两个不同端系统上的进程，通过跨越计算机网络交换报文（message）而相互通信
• 端系统的进程通过套接字进行接受报文或发送报文
• 网络应用程序是由成对的进程组成，这些进程通过网络相互发送报文。对每对通信进程，我们将其中的一个标记为客户（client，一般为发起通信的一方），另一个标记为服务器（server，等待联系的一方）。

【套接字（Socket）】

• 套接字是同一台主机内应用层与运输层之间的接口

• 套接字相当于一个公用的中间语言，让不同的主机可以顺利通话。
• 套接字是建立网络应用程序的可编程接口，因此套接字也称为应用程序和网络之间的应用程序编程接口（Application Programming Interface，API）
• 应用程序开发者可以控制应用层端的一切，但对于套接字运输端的控制仅限于：
  • 选择运输层协议；
  • 也许能设定几个运输层参数，如最大缓存和最大报文段长度等（将在第3章中涉及）。

【进程寻址】

• 如果想实现不同主机上的进程间通信，每个主机必须拥有标识符——IP地址，每个进程需要拥有标识符——端口号。
• 进程的标识符 = IP地址+端口号
• IP地址是一个32比特的量且唯一的标识主机，更多的内容请参考第4章
• 端口号如：HTTP Sever:80

## 因特网提供的运输服务

【网络应用的需求和传输层服务】

• 运输层协议提供的运输服务包括：
  • 可靠数据传输（容忍丢失）
  • 吞吐量（带宽敏感）
  • 时序/延迟
  • 安全性
• 常见的应用所需的运输服务

 【Internet提供的两类传输服务——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，TCP还提供拥塞控制机制

• 服务的具体描述：
  • 面向连接：客户机/服务器进程间需建立连接。握手过程提示客户和服务器，使它们为大量分组的到来做好准备。在握手阶段后，一个TCP连接（TCP connection）就在两个进程的套接字之间建立了。
  • 可靠的传输：通信进程能够依靠TCP，无差错、按适当顺序交付所有发送的数据。
  • 流量控制：发送方不会发送过快，超过接收方的处理能力。
  • 拥塞控制：当网络负载过重时能够限制发送方的发送速度。
  • 不提供时间/延迟保障。
  • 不提供最小带宽保障。

【Internet提供的两类传输服务——UDP服务】

• UDP是一种不提供不需要服务的轻量级运输协议。
• 无连接：它不需在两主机间建立连接。
• 提供不可靠的数据传输
• 不提供拥堵控制UDP的发送端可以用它选定的任何速率向其下层（网络层）注入数据（值得注意的是实际端到端吞吐量可能小于这种速率，这可能是因为中间链路的带宽受限或因为拥塞而造成的）
• 也不提供：可靠性保障、流量控制、延迟保障、带宽保障。

【常见应用选择的运输协议】

## 应用层协议

• 运输服务遵循应用层协议
  • 公开协议：由RFC定义，标准化的HTTP、SMTP等
  • 私有协议：多数P2P文件共享应用
• 应用层协议的主要内容
  • 消息的类型（type）：请求消息，响应消息。
  • 消息的语法（syntax）/格式：消息中有哪些字段，每个字段如何描述。
  • 字段的语义（semantics）：字段中信息的含义。
  • 规则（rules）：进程何时发送/响应消息等。
• 以HTTP为例;