中科大郑烇、杨坚《计算机网络》课程 第二章笔记
第2章 应用层
文章目录
- 第2章 应用层
- 2.1 应用层协议原理
- 客户-服务器(C/S)体系结构
- 对等体(P2P)体系结构
- C/S和P2P体系结构的混合体
- 进程通信
- 分布式进程通信需要解决的问题(应用进程如何使用传输层提供的服务交换报文)
- 问题1:对进程进行编址(addressing)
- 问题2:传输层提供的服务-需要穿过层间的信息
- TCP socket
- UDP 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?
- 常见应用对传输服务的要求
- Internet 传输层提供的服务
- Internet应用及其应用层协议和传输协议
- 2.2 Web and HTTP
- HTTP概况
- HTTP连接
- HTTP请求报文
- HTTP响应报文
- 用户-服务器状态:cookies
- Web缓存 (代理服务器)
- 缓存例子:安装本地缓存
- 2.3 FTP*
- FTP: 控制连接与数据连接分开
- FTP命令、响应
- FTP协议与HTTP协议的差别
- 2.4 EMail
- EMail: SMTP [RFC 2821] 原理
- 简单的SMTP交互
- SMTP:总结
- 邮件报文格式
- 邮件访问协议
- POP3协议
- **IMAP**
- 2.5 DNS
- DNS的必要性
- DNS(Domain Name System)总体思路和目标
- 问题1:DNS名字空间(The DNS Name Space)
- DNS: 根名字服务器
- 问题2:解析问题-名字服务器(Name Server)
- 名字空间划分为若干区域:Zone
- TLD服务器
- 区域名字服务器维护资源记录
- DNS大致工作过程
- 本地名字服务器(Local Name Server)
- 名字服务器(Name Server)
- DNS协议、报文
- 问题3:维护问题:新增一个域
- 2.6 P2P 应用
- 文件分发: C/S vs P2P
- P2P文件共享
- 两大问题
- 1、集中式目录
- 2、查询洪泛:Gnutella(完全分布式)
- 泛洪查询 flooding
- 3、利用不匀称性:KaZaA(混合体)
- KaZaA:查询
- Kazaa小技巧
- Distributed Hash Table (DHT)
- (实际的例子)P2P文件分发: BitTorrent
- BitTorrent: 请求,发送文件块
- 2.7 CDN
- 多媒体流化服务:DASH
- 选择1: 单个的、大的超级服务中心“megaserver”
- 选项2: 通过CDN(content distribution network),全网部署缓存节点,存储服务内容,就近为用户提供服务,提高用户体验 (内容加速服务)
- OTT 挑战: 在拥塞的互联网上复制内容
- 2.8 TCP 套接字编程
- 过程
- C/S模式的应用样例
- C/S socket 交互: TCP
- 2.9 UDP 套接字编程
- 第2章:小结
2.1 应用层协议原理
网络应用的体系结构
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)体系结构
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
缺点 :可拓展性差 达到一定能限(阈值),性能暴跌 可靠性差
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
- 自扩展性-新peer节点带来新的
- 参与的主机间歇性连接且可以改变地址
- 难以管理(缺点)
- 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(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
- 使用OS提供的通信服
客户端进程:发起通信 的进程 服务器进程:等待连接 的进程
注意:P2P架构的应用也 有客户端进程和服务器进程之分
分布式进程通信需要解决的问题(应用进程如何使用传输层提供的服务交换报文)
问题1:进程标示和寻址问题 (对于进程 谁发/谁收,对等层实体之间)
问题2:传输层-应用层提供服务是如何 (上下层间)
- 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 (本层间)
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(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) 用来区分不同的应用进程 **
- 主机:唯一的32位IP地址
- 一些知名端口号的例子:
- HTTP: TCP 80 Mail: TCP 25 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) (SDU——未经本层封装的) (发的什么)
- 谁传的:对方的应用进程的标示:IP+TCP(UDP)端口 (谁发的)
- 传给谁:对方的应用进程的标示:对方的IP+TCP(UDP)端口号 (发给谁)
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
- 如果Socket API(原语)每次传输报文(穿过层间),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 socket:
- TCP服务,两个进程之间的通信需要之前要建立连扫
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
TCP socket 是一个整数(类似文件描述符)代表一个四元组(我的IP和端口号 对方的IP和端口号)
便于管理 使得穿过层间的信息量最小
是应用层和传输层的一个约定 本地会话的标识
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识
- 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
穿过层间接口的包括 ICI 和 SDU
UDP socket
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
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识
- 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(endpoint>
- 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udpport(另外一个段节点)
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)
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:报文中的客个字段及其描述
- 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(超文本标记语言)
公开协议: 由RFC文档定义 允许互操作 如HTTP, SMTP
专用(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?
如何描述传输层的服务?
数据丢失率
有些应用则要求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o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
Internet 传输层提供的服务
实体:实行网络协议的软件模块或硬件模块(运行中的)
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,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
Q:为什么要有UDP?
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
- 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
- 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〉
- 因为为了实现可靠性(准确性、保序等),必须付出时间代
- 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
- 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
Internet应用及其应用层协议和传输协议
安全TCP
TCP & UDP
都没有加密 明文通过互联网传输 ,甚至密码
SSL 提供安全性
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 详见第8章
Https 跑在 SSL + TCP 上
2.2 Web and HTTP
一些术语
Web页:由一些对象组成
对象可以是HTML文件、JPEG图像、Java小程序、声音剪辑文件等
Web页含有一个基本的HTML文件,该基本HTML文件又包含若干对象的引用(链接)
通过URL对每个对象进行引用
访问协议,用户名,口令字,端口等;URL格式:
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 206
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
维护状态的协议很复杂!
必须维护历史信息(状态)
如果服务器/客户端死机,它们的状态信息可能不一致, 二者的信息必须是一致
无状态的服务器能够支持更 多的客户端
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
响应时间模型
往返时间RTT(round-trip time):一个小的分组从客 户端到服务器,在回到客户 端的时间(传输时间忽略)
响应时间: 一个RTT用来发起TCP连接 一个 RTT用来HTTP请求并 等待HTTP响应 文件传输时间
总共:2个RTT + 一个对象的传输时间
持久HTTP
非持久HTTP的缺点:
每个对象要2个 RTT
操作系统必须为每个TCP连接分 配资源
但浏览器通常打开并行TCP连接 ,以获取引用对象
持久HTTP
服务器在发送响应后,仍保持 TCP连接
在相同客户端和服务器之间的后 续请求和响应报文通过相同的连 接进行传送
客户端在遇到一个引用对象的时 候,就可以尽快发送该对象的请求
非流水方式的持久HTTP: 客户端只能在收到前一个响应后 才能发出新的请求 每个引用对象花费一个RTT
流水方式的持久HTTP: HTTP/1.1的默认模式 客户端遇到一个引用对象就立即 产生一个请求 所有引用(小)对象只花费一个RTT是可能的
HTTP请求报文
两种类型的HTTP报文:请求、响应
HTTP请求报文:
HTTP请求报文:通用格式
提交表单输入(向服务器提交信息)
Post方式: 网页通常包括表单输 入 包含在实体主体 (entity body )中的 输入被提交到服务器
URL方式: 方法:GET 输入通过请求行的 URL字段上载
例子
www. somesite.com/animalsearch?monkeys&banana
http: //www. baidu.com/s?wd=xx+yy+zzz&cl=3
参数:wd,cl 参数值:XX+YY+zzz,3
方法类型
HTTP/1.0
GET POST
HEAD
要求服务器在响应报文中 不包含请求对象 -> 故障跟踪
HTTP/1.1 GET, POST, HEAD
PUT 将实体主体中的文件上载 到URL字段规定的路径
DELETE 删除URL字段规定的文件
HTTP响应报文
HTTP响应状态码
位于服务器→客户端的响应报文中的首行一些状态码的例子:
200 OK
- 请求成功,请求对象包含在响应报文的后续部分
301 Moved Permanently
- 请求的对象己经被永久转移了;新的URL在响应报文的Location:首部行中指定
客户端软件自动用新的URL去获取对象
400 Bad Request
- 一个通用的差错代码,表示该请求不能被服务器解读
404 Not Found
- 请求的文档在该服务上没有找到
505 HTTP version Not supported
Trying out HTTP (client side) for yourself
用户-服务器状态:cookies
大多数主要的门户网站使 用 cookies 4个组成部分:
1) 在HTTP响应报文中有 一个cookie的首部行
2)在HTTP请求报文含有 一个cookie的首部行
3) 在用户端系统中保留有 一个cookie文件,由用户的浏览器管理
4) 在Web站点有一个后 端数据库
例子:
Susan总是用同一个PC使 用Internet Explore上网
她第一次访问了一个使 用了Cookie的电子商务网站
当最初的HTTP请求到达 服务器时,该Web站点 产生一个唯一的ID,并 以此作为索引在它的后 端数据库中产生一个项
Cookies: 维护状态
Cookies能带来什么: 用户验证 购物车 推荐 用户状态 (Web e-mail)
如何维持状态: 协议端节点:在多个事务上 ,发送端和接收端维持状态 cookies: http报文携带状 态信息
Cookies与隐私:
Cookies允许站点知道许多关于 用户的信息
可能将它知道的东西卖给第三方
使用重定向和cookie的搜索引 擎还能知道用户更多的信息
如通过某个用户在大量站点 上的行为,了解其个人浏览方式的大致模式
广告公司从站点获得信息
Web缓存 (代理服务器)
目标:不访问**原始服务器**,就满足客户的请求
用户设置浏览器: 通 过缓存访问Web
浏览器将所有的HTTP 请求发给缓存
在缓存中的对象:缓存 直接返回对象
如对象不在缓存,缓存 请求原始服务器,然后 再将对象返回给客户端
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
缓存示例
假设 平均对象大小 = 100kb 机构内浏览器对原始服务器的 平均请求率为 = 15请求/s 平均到浏览器的速率:1.5Mbps 机构内部路由器到原始服务器 再返回到路由器的的延时 ( Internet 延时)= 2s 接入链路带宽:1.54Mbps 结果 LAN的流量强度 = 15%
接入链路上的流量强度 = 99%
总延时 = LAN延时 + 接入延时 + Internet 延时 = ms + 分
t (queue) = I/(1 - I) * L / R
I——流量强度 L/R——一个分组的传输时间 排队延迟非常大
缓存示例:更快的接入链路
假设 平均对象大小 = 100kb 机构内浏览器对原始服务器的 平均请求率为 = 15请求/s 平均到浏览器的速率:1.5Mbps 机构内部路由器到原始服务器 再返回到路由器的的延时 ( Internet 延时)= 2s 接入链路带宽:1.54Mbps——> 154Mbps 结果 LAN的流量强度 = 15% 接入链路上的流量强度 = 99%
总延时 = LAN延时 + 接入延时 + Internet 延时 = ms + 分 + 2s
代价: 增加了接入链路带宽(非常昂贵!)
排队延迟降低
缓存例子:安装本地缓存
假设 平均对象大小 = 100kb 机构内浏览器对原始服务器的平均 请求率为 = 15请求/s 平均到浏览器的速率:1.5Mbps 机构内部路由器到原始服务器再返回到路由器的的延时 (Internet 延 时)= 2s 接入链路带宽:1.54Mbps 结果 LAN 利用率: 15% 接入网络利用率: ? 总体延迟= ? ? How to compute link utilization, delay? 代价: web缓存(廉价!)
计算链路利用率,有缓存的延迟: 假设缓存命中率0.4 40%请求在缓存中被满足,其他60%的请求 需要被原始服务器满足 接入链路利用率: 60%的请求采用接入链路 进过接入链路到达浏览器的数据速 率 = 0.6*1.50 Mbps = .9 Mbps 利用率= 0.9/1.54 = .58 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(对象版本和服务器版本一致性问题)
目标:如果缓存器中的对 象拷贝是最新的,就不要发送对象
缓存器: 在HTTP请求中指 定缓存拷贝的日期 If-modified-since: <date>
服务器: 如果缓存拷贝陈 旧,则响应报文没包含对象: HTTP/1.0 304 Not Modified
2.3 FTP*
FTP: 文件传输协议
向远程主机上传输文件或从远程主机接收文件
客户/服务器模式
客户端:发起传输的一方
服务器:远程主机
ftp: RFC 959
ftp服务器:端口号为21
FTP: 控制连接与数据连接分开
FTP客户端与FTP服务器通过端口21联系,并使用TCP为传输协议
客户端通过控制连接获得身份确认
客户端通过控制连接发送命令浏览远程目录
收到一个文件传输命令时,服务器打开一个到客户端的数据连接
一个文件传输完成后,服务器关闭连接
服务器打开 第二个TCP 数据连接用来传输另一个文件(服务器主动)
控制连接: 带外( “out of band” )传送
FTP服务器维护用户的状态信息: 当前路径、用户帐户与控制连接对应
有状态的协议
FTP命令、响应
命令样例:
在控制连接上以ASCII文本方式传送
USER username
PASS password
LIST:请服务器返回远程主 机当前目录的文件列表
RETR filename:从远程主 机的当前目录检索文件 (gets)
STOR filename:向远程主 机的当前目录存放文件 (puts)
返回码样例:
状态码和状态信息 (同HTTP)
331 Username OK, password required
125 data connection already open; transfer starting
425 Can’t open data connection 452 Error writing file
FTP协议与HTTP协议的差别
FTP协议是有状态的,FTP协议的控制命令和数据传输分别在两个TCP上进行
2.4 EMail
3个主要组成部分: 用户代理 邮件服务器 简单邮件传输协议:SMTP
用户代理 (客户端软件)
又名 “邮件阅读器”
撰写、编辑和阅读邮件
如Outlook、Foxmail
输出和输入邮件保存在服务器 上
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
EMail: SMTP [RFC 2821] 原理
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 (规范传输内容)
举例:Alice给Bob发送报文
- Alice使用用户代理撰写邮件并发送给 bob@someschool.edu
2) Alice的用户代理将邮件发送到她的邮件服务器;邮件放在报文队列中 - SMTP的客户端打开到Bob邮件服务器的TCP连接
4) SMTP客户端通过TCP连接发送Alice的邮件
5) Bob的邮件服务器将邮件放到Bob的邮箱 - Bob调用他的用户代理阅读邮件
简单的SMTP交互
SMTP:总结
SMTP使用持久连接
SMTP要求报文(首部 和主体)为7位ASCII编 码
SMTP服务器使用 CRLF.CRLF决定报文的 尾部
HTTP比较:
HTTP:拉(pull)
SMTP:推(push)
二者都是ASCII形式的命令/ 响应交互、状态码
HTTP:每个对象封装在各自的响应报文中
SMTP:多个对象包含在一个报文中
邮件报文格式
SMTP:交换email报文的协议 RFC 822: 文本报文的标准:
首部行:如,
To: From: Subject:
主体
报文,只能是ASCII码字符
报文格式:多媒体扩展
MIME:多媒体邮件扩展(multimedia mail extension), RFC 2045, 2056
在报文首部用额外的行申明MIME内容类型
常用Base64 对STMP的ASCII码进行拓展 传输更多内容
Base64 常用于在处理文本数据的场合,表示、传输、存储一些二进制数据,包括 MIME 的电子邮件及 XML 的一些复杂数据。**在 MIME 格式的电子邮件中,base64 可以用来将二进制的字节序列数据编码成 ASCII 字符序列构成的文本。**使用时,在传输编码方式中指定 base64。使用的字符包括大小写拉丁字母各 26 个、数字 10 个、加号 + 和斜杠 /,共 64 个字符,等号 = 用来作为后缀用途。
邮件访问协议
两推一拉
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 (3种方式)
POP3: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 Protocol)[RFC 1730]
更多特性和功能 (更复杂)
在服务器上处理存储的报文HTTP:Hotmail , Yahoo! Mail等
方便
POP3协议
用户确认阶段 客户端命令: user: 申明用户名 pass: 口令 服务器响应 +OK -ERR
事物处理阶段 客户端: list: 报文号列表 retr: 根据报文号检索报文 dele: 删除 quit
用户确认阶段
事物处理阶段,
POP3
先前的例子使用 “下载 并删除”模式。
如果改变客户机,Bob不 能阅读邮件
“下载并保留”:不同 客户机上为报文的拷贝
POP3在会话中是无状态的
IMAP
IMAP服务器将每个报文 与一个文件夹联系起来
允许用户用目录来组织 报文
允许用户读取报文组件
IMAP在会话过程中保留 用户状态:
目录名、报文ID与目录名 之间映射
2.5 DNS
DNS(Domain Name System)
从域名到IP地址的转换(主要功能)
DNS的必要性
IP地址标识主机、路由器
但IP地址不好记忆,不便人类使用(没有意义)
人类一般倾向于使用一些有意义的字符串来标识 Internet上的设备
例如:qzheng@ustc.edu.cn
所在的邮件服务器 www.ustc.edu.cn 所在的web服务器
存在着“字符串”—IP地址的转换的必要性
人类用户提供要访问机器的“字符串”名称
由DNS负责转换成为二进制的网络地址
DNS系统需要解决的问题
问题1:如何命名设备
用有意义的字符串:好记,便于人类用使用
解决一个平面命名的重名问题:层次化命名
问题2:如何完成名字到IP地址的转换
分布式的数据库维护和响应名字查询
问题3:如何维护:增加或者删除一个域,需 要在域名系统中做哪些工作
DNS(Domain Name System)的历史
ARPANET的名字解析解决方案
主机名:没有层次的一个字符串(一个平面)
存在着一个(集中)维护站:维护着一张 主机名-IP地址 的映射文件:Hosts.txt
每台主机定时从维护站取文件
ARPANET解决方案的问题 当网络中主机数量很大时 没有层次的主机名称很难分配
DNS(Domain Name System)总体思路和目标
DNS的主要思路
分层的、基于域的命名机制
若干分布式的数据库完成名字到IP地址的转换
运行在UDP之上端口号为53的应用服务
核心的Internet功能,但以应用层协议实现
在网络边缘处理复杂性 (互联网最核心的功能(DNS)在边缘系统实现的)
DNS主要目的:
实现主机名-IP地址的转换(name/IP translate) (主要功能)
其它目的
主机别名到 规范名字 的转换:Host aliasing
邮件服务器别名到邮件服务器的 正规名字 的转换:Mail server aliasing
负载均衡:Load Distribution(分配具体的服务器提供服务)
问题1:DNS名字空间(The DNS Name Space)
DNS域名结构
一个层面命名设备会有很多重名
NDS采用层次树状结构的 命名方法
Internet 根被划为几百个顶级域(top lever domains)
通用的(generic) .com; .edu ; .gov ; .int ; .mil ; .net ; .org .firm ; .hsop ; .web ; .arts ; .rec ;
国家的(countries) .cn ; .us ; .nl ; .jp
每个(子)域下面可划分为若干子域(subdomains)
树叶是主机
DNS: 根名字服务器
DNS名字空间(The DNS Name Space)
域名(Domain Name)
从本域往上,直到树根
中间使用“.”间隔不同的级别
例如:ustc.edu.cn
auto.ustc.edu.cn
www.auto. ustc.edu.cn
域的域名:可以用于表示一个域
主机的域名:一个域上的一个主机
域名的管理
一个域管理其下的子域
.jp 被划分为 ac.jp co.jp
.cn 被划分为 edu.cn com.cn
创建一个新的域,必须征得它所属域的同意
域与物理网络无关
域遵从组织界限,而不是物理网络
一个域的主机可以不在一个网络
一个网络的主机不一定在一个域
域的划分是逻辑的,而不是物理的
问题2:解析问题-名字服务器(Name Server)
一个名字服务器的问题
可靠性问题:单点故障
扩展性问题:通信容量
维护问题:远距离的集中式数据库
区域(zone)
区域的划分有区域管理者自己决定
将DNS名字空间划分为互不相交的区域,每个区域都是 树的一部分
名字服务器:
每个区域都有一个名字服务器:维护着它所管辖区域的权威信息 (authoritative record)
名字服务器允许被放置在区域之外,以保障可靠性
名字空间划分为若干区域:Zone
权威DNS服务器:组织机构的DNS服务器, 提供组织机构服务器(如 Web和mail)可访问的主机和IP之间的映射
组织机构可以选择实现自己维护或由某个服务提供商来维护
TLD服务器
顶级域(TLD)服务器:负责顶级域名(如com, org, net, edu和gov)和所有国家级的顶级域名(如cn, uk, fr, ca, jp )
Network solutions 公司维护com TLD服务器
Educause公司维护edu TLD服务器
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(权威记录,缓冲记录) 缓冲是为了性能 删除是为了一致性
Class 类别 :对于Internet,值为IN 说明是Internet网
Value 值:可以是数字,域名或ASCII串 对应的IP地址
Type 类别:资源记录的类型—见下页
DNS记录
DNS :保存资源记录(RR)的分布式数据库
RR 格式:(name, value, type, ttl)
信息1 (叫什么)
TYPE = NS Name放的是子域的名字
Value 子域名字服务器(权威DNS服务器)的名字
信息2 (在哪)
Type = A Name放的是名字(子域的名字)
Value 对应服务器的IP地址
DNS大致工作过程
一台设备上网必备的IP信息
我的IP地址 我的子网掩码 我的local name serve 我的default getway(路由器)
应用调用 解析器(resolver)
解析器作为客户 向Name Server发出查询报文 (封装在UDP段中)
Name Server返回响应报文(name/ip)
本地名字服务器(Local Name Server)
并不严格属于层次结构
每个ISP (居民区的ISP、公司、大学)都有一 个本地DNS服务器
也称为“默认名字服务器”
当一个主机发起一个DNS查询时,查询被送到 其本地DNS服务器
起着代理的作用,将查询转发到层次结构中
名字服务器(Name Server)
名字解析过程
目标名字在Local Name Server中
情况1:查询的名字在该区域内部
情况2:缓存(cashing)
当与本地名字服务器不能解析名字时,联系根名字服务器 顺着根-TLD 一直找到 权威名字服务器
递归查询
名字解析负担都 放在当前联络的 名字服务器上
问题:根服务器 的负担太重
解决: 迭代查询 (iterated queries)
迭代查询
主机cis.poly.edu 想知道主机 gaia.cs.umass.edu 的IP地址
根(及各级域名)服务器返回的不是查询结果,而 是下一个NS的地址
最后由权威名字服务器给出解析结果
当前联络的服务器给出可以联系的服务器的名字
“我不知道这个名字,但可以向这个服务器请求
DNS协议、报文
DNS协议:查询和响应报文的报文格式相同
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
- 在上级域的名字服务器中增加两条记录,指向这个新增的子域的域名和域名服务器的地址
(Type = NS、 Type = A 相当于指针) - 在新增子域的名字服务器上运行名字服务器,负责本域
的名字解析:名字->IP地址
例子:在com域中建立一个“Network Utopia” - 到注册登记机构注册域名networkutopia.com
- 需要向该机构提供权威DNS服务器(基本的、和辅助的)的名字
和IP地址 - 登记机构在com TLD服务器中插入两条RR记录:
( networkutopia.com,dns1.networkutopia.com,NS )( dns1.networkutopia.com,212.212.212.1,A)
- 需要向该机构提供权威DNS服务器(基本的、和辅助的)的名字
- 在networkutopia.com的权威服务器中确保有
- 用于Web服务器的www.networkuptopia.com的类型为A的记录
- 用于邮件服务器mail.networkutopia.com的类型为MX的记录
攻击DNS 总的说来,DNS比较健壮
DDoS 攻击
对根服务器进行流量轰炸 攻击:发送大量ping
没有成功
原因1:根目录服务器配置 了流量过滤器,防火墙
原因2:Local DNS 服务器 缓存了TLD服务器的IP地址, 因此无需查询根服务器
向TLD服务器流量轰炸攻击 :发送大量查询
可能更危险
效果一般,大部分DNS缓存 了TLD
重定向攻击
中间人攻击 截获查询,伪造回答,从而攻击 某个(DNS回答指定的IP)站点
DNS中毒 发送伪造的应答给DNS服务器,希 望它能够缓存这个虚假的结果
技术上较困难:分布式截获和伪造 利用DNS基础设施进行DDoS
伪造某个IP进行查询, 攻击这个 目标IP
查询放大,响应报文比查询报文大
效果有限
流量是分布式 查询有几乎都有缓存,基本不需要根 ——> 无根也基本安全
2.6 P2P 应用
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)
文件分发: C/S vs P2P
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?
文件分发时间: C/S模式
服务器传输: 都是由服务器 发送给peer,服务器必须顺序 传输(上载)N个文件拷贝:
- 发送一个copy: F/us(上载)
- 发送N个copy: NF/us (上载)
客户端: 每个客户端必须下 载一个文件拷贝
- dmin = 客户端最小的下载速率
- 下载带宽最小的客户端下载的 时间:F/dmin (下载)
采用C-S方法 将一个F大小的文件 分发给N个客户端耗时 Dc-s > max{NF/us(随着N线性增长 ),F/dmin}
(瓶颈却决于服务器的性能和客户端性能的相对强弱)
文件分发时间: P2P模式
服务器传输:最少需要上载一份 拷贝
- 发送一个拷贝的时间:F/us (上载)
客户端: 每个客户端必须下载一 个拷贝
- 最小下载带宽客户单耗时: F/dmin(下载)
客户端: 所有客户端总体下载量NF
- 最大上载带宽是:us(服务器的) + Sui(所有客户端的) (上载)
- 除了服务器可以上载,其他所有的peer节点都可以上载
采用P2P方法 将一个F大小的文件 分发给N个客户端耗时 Dp2p > max{F/us,F/dmin,NF/(us + Sui)}
C-S 线性
P2P 非线性 性能高 可拓展性强 难管理(动态性强)
非结构化P2P 任意连接
DHT 结构化P2P 如:环形、树 节点哈希 内容哈希 按一定规律存内容
P2P文件共享
例子
Alice在其笔记本电脑上 运行P2P客户端程序 间歇性地连接到 Internet,每次从其 ISP得到新的IP地址 请求“双截棍.MP3” 应用程序显示其他有“ 双截棍.MP3” 拷贝的对 等方
Alice选择其中一个对等方, 如Bob. 文件从Bob’s PC传送到 Alice的笔记本上:HTTP 当Alice下载时,其他用户也 可以从Alice处下载 Alice的对等方既是一个Web 客户端,也是一个瞬时Web 服务器
所有的对等方都是服务器 = 可扩展性好!
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
1、集中式目录
最初的“Napster”设计
- 当对等方连接时,它告知
中心服务器: IP地址 内容 - Alice查询 “双截棍 .MP3”
- Alice从Bob处请求文件
单点故障 性能瓶颈 侵犯版权
文件传输是分散的, 而定位内容则是高度集中的
2、查询洪泛:Gnutella(完全分布式)
全分布式
没有中心服务器
开放文件共享协议
许多Gnutella客户端 实现了Gnutella协议
类似HTTP有许多的 浏览器
覆盖网络:图
如果X和Y之间有一个 TCP连接,则二者之间存在一条边
所有活动的对等方和边就是覆盖网络
边并不是物理链路
给定一个对等方,通常 所连接的节点少于10个
在已有的TCP连接上发送查询报文
对等方转发查询报文
以反方向返回查询命中报文
泛洪查询 flooding
我的客户端向所有邻居发出查询 所有邻居的客户端向其邻居发出查询 …
拥有资源的节点通过反向的方法将查询的结果发回来
我的客户端就知道那个节点有资源——解决目录的问题——再向拥有资源的节点发出请求,得到资源
Gnutella:对等方加入(网络的建立)
- 对等方X必须首先发现某些已经在覆盖网络中的其他对 等方:使用可用对等方列表 自己维持一张对等方列表(经常开机的对等方的IP、死党列表) 联系维持列表的Gnutella站点
- X接着试图与该列表上的对等方建立TCP连接,直到与某个对等方Y建立连接
- X向Y发送一个Ping报文,Y转发该Ping报文
- 所有收到Ping报文的对等方以Pong报文响应 IP地址、共享文件的数量及总字节数
- X收到许多Pong报文,然后它能建立其他TCP连接
3、利用不匀称性:KaZaA(混合体)
每个对等方要么是一个组长,要么隶属于一个组长
- 对等方与其组长之间有 TCP连接
- 组长对之间有TCP连接
组长跟踪其所有的孩子的内容
组长与其他组长联系
- 转发查询到其他组长
- 获得其他组长的数据拷贝
KaZaA:查询
每个文件有一个散列标识码(唯一Hash,上载时赋予)和一个描述符
客户端向其组长发送关键字查询
组长用匹配(描述)进行响应:
对每个匹配:元数据、散列标识码和IP地址
如果组长将查询转发给其他组长,其他组长也 以匹配进行响应
客户端选择要下载的文件
向拥有文件的对等方发送一个带散列标识码的 HTTP请求
Kazaa小技巧
请求排队
- 限制并行上载的数量
- 确保每个被传输的文件从上载节点接收一定量的带宽
激励优先权
- 鼓励用户上载文件
- 加强系统的扩展性
并行下载
- 从多个对等方下载同一个文件的不同部分
- HTTP的字节范围首部
- 更快地检索一个文件
Distributed Hash Table (DHT)
哈希表 DHT方案 环形DHT 以及覆盖网络 Peer波动
(实际的例子)P2P文件分发: BitTorrent
文件被分为一个个块256KB
每个节点有一个bit map(hash),用map标记是否具备,有则标识为1否则为0
网络中的这些peers发送接收文件块,相互服务
Peer加入torrent:
一开始没有块(吸血鬼),但是将会通 过其他节点处累积文件块
向跟踪服务器注册,获得 peer节点列表,和部分peer 节点构成邻居关系 (“连接 ”)
当peer下载时,该peer可以同时向其他节点提供上载服务
Peer可能会变换用于交换块的peer节点
扰动churn: peer节点可能会上线或者下线
一旦一个peer拥有整个文件(种子),它会(自私的)离开或者保留(利他主义)在torrent中
BitTorrent: 请求,发送文件块
请求块:
在任何给定时间,不同 peer节点拥有一个文件块 的子集
周期性的,Alice节点向 邻居询问他们拥有哪些块 的信息
Alice向peer节点请求它 希望的块,稀缺的块(稀缺优先,对集体有利)
1、(集体提出)客户端优先请求稀缺的(稀缺优先,对集体有利)
2、(集体定的规则)优先向提供服务好的客户端服务(个人利益与集体利益绑定)
3、(造成个人遵守)客户端优先请求稀缺的 (利他等于利己)
发送块:一报还一报titfor-tat
Alice向4个peer发送块,这些块向它自己提供最大带宽的服务
其他peer被Alice阻塞 (将不会 从Alice处获得服务)
每10秒重新评估(谁对它好)一次:前4位
每个30秒:随机选择其他peer 节点,向这个节点发送块
“优化疏通” 这个节点
新选择的节点可以加入这个top 4
(1) Alice “优化疏通” Bob
(2) Alice 变成了Bob的前4位提供者; Bob答谢Alice
(3) Bob 变成了Alice的前4提供者
更高的上载速率: 发现更好的交易伙伴,获得更快的文件传输速率!
2.7 CDN
视频流化服务和CDN:上下文
- 视频流量:占据着互联网大部分的带宽
- Netflix, YouTube: 占据37%, 16% 的ISP下行流 量
- ~1B YouTube 用户, ~75M Netflix用户
- 挑战:规模性-如何服务者 ~1B 用户?
- 单个超级服务器无法提供服务(为什么)
- 挑战: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
多媒体: 视频
视频:固定速度显示的图像序 列
- e.g. 24 images/sec
网络视频特点:
- 高码率:>10x于音频,高的网络带 宽需求
- 可以被压缩
- 90%以上的网络流量是视频
数字化图像:像素的阵列
- 每个像素被若干bits表示
编码:使用图像内和图像间的 冗余来降低编码的比特数
- 空间冗余(图像内)
- 时间冗余(相邻的图像间)
CBR: (constant bit rate): 以固定速率编码
VBR: (variable bit rate): 视频编码速率随 时间的变化而变化
多媒体流化服务:DASH
DASH: Dynamic, Adaptive Streaming over HTTP 动态自适应
服务器:
将视频文件分割成多个块 (流化)
每个块独立存储,编码于不同码率(8-10种)
告示文件(manifest file): 提供不同块的URL (自适应:自己选择)
客户端:
先获取告示文件
周期性地测量服务器到客户端的带宽
查询告示文件,在一个时刻请求一个块,HTTP头部指定字 节范围
如果带宽足够,选择最大码率的视频块
会话中的不同时刻,可以切换请求不同的编码块 (取 决于当时的可用带宽)
“智能”客户端: 客户端自适应决定
- 什么时候去请求块 (不至于缓存挨饿,或者溢出)
- 请求什么编码速率的视频块 (当带宽够用时,请求高质量的视频块)
- 哪里去请求块 (可以向离自己近的服务器发送URL,或 者向高可用带宽的服务器请求)
挑战: 服务器如何通过网络向上百万用户同时流化视频内容 (上百万视频内容)?
选择1: 单个的、大的超级服务中心“megaserver”
服务器到客户端路径上跳数较多,瓶颈链路的带宽 小导致停顿
“二八规律”决定了网络同时充斥着同一个视频的 多个拷贝,效率低(付费高、带宽浪费、效果差)
单点故障点,性能瓶颈
周边网络的拥塞
相当简单,但是这个方法不可扩展
选项2: 通过CDN(content distribution network),全网部署缓存节点,存储服务内容,就近为用户提供服务,提高用户体验 (内容加速服务)
- enter deep: 将CDN服务器深入到许多接入网
- 更接近用户,数量多,离用户近,管理困难
- Akamai, 1700个位置
- bring home: 部署在少数(10个左右)关键位置(到用户的跳数较多),如将服务器簇安装于POP附近(离若干1stISP POP较近)
- 采用租用线路将服务器簇连接起来
- Limelight
CDN: 在CDN节点中存储内容的多个拷贝 让内容靠近用户
e.g. Netflix stores copies of MadMen
用户从CDN中请求内容**(先从原服务器获取告知文件manifest file,自适应选择块)**
(域名解析的重定向)重定向到最近的拷贝,请求内容
如果网络路径拥塞,可能选择不同的拷贝
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
OTT(互联网公司越过运营商,发展基于开放互联网的各种视频及数据服务业务),over the top
- 从哪个CDN节点中获取内容?
- 用户在网络拥塞时的行为?
- 在哪些CDN节点中存储什么内容?
案例学习: Netflix
2.8 TCP 套接字编程
Socket编程
应用进程使用传输层提供的服务能够交换报文,实现应用协议,实现应用
TCP/IP:应用进程使用Socket API访问传输服务
地点:界面上的SAP(Socket) 方式:Socket API
目标: 学习如何构建能借助sockets进行通信的C/S应用程序
socket: 分布式应用进程之间的门,传输层协议提供的端到端服务接口
2种传输层服务的socket类型:
TCP: 可靠的、**字节流**的服务
UDP: 不可靠(数据UDP数据报)服务
套接字:应用进程与端到端传输协议(TCP或UDP)之间 的门户
TCP服务:从一个进程向另一个进程可靠地传输字节流
过程
服务器首先运行,等待连接建立
1:服务器进程必须先处于运行状态
创建欢迎socket
和本地端口捆绑
在欢迎socket上阻塞式等待接收用户的连接
客户端主动和服务器建立连接:
2:创建客户端本地套接字(隐式捆绑到本地port)
指定服务器进程的IP地址和端口号,与服务器进程连接
3 :当与客户端连接请求到来时
服务器接受来自用户端的请求 ,解除阻塞式等待,返回一个新的socket(与欢迎socket不 一样),与客户端通信
允许服务器与多个客户端通信
使用源IP和源端口来区分不同的客户端
4:连接API调用有效时,客户端P与服务器建立了TCP连接
从应用程序的角度
TCP在客户端和服务器进程之间 提供了可靠的、字节流(管道)服务
C/S模式的应用样例
- 客户端从标准输入装置读 取一行字符,发送给服务 器
- 服务器从socket读取字符
- 服务器将字符转换成大写 ,然后返回给客户端
- 客户端从socket中读取一 行字符,然后打印出来
实际上,这里描述了C-S之间交互的动作次序
数据结构 sockaddr_in
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; //AF_INET
u_short sin_port; // port
struct in_addr sin_addr ;// IP address, unsigned long
char sin_zero[8]; // align 校准
};
数据结构 hostent
域名和IP地址的数据结构
struct hostent {
char *h_name; //域名
char **h_aliases; /别名
int h_addrtype;
int h_length; /*地址长度*/
char **h_addr_list; //IP地址
#define h_addr h_addr_list[0];
}
作为调用域名解析函数时的参数 返回后,将IP地址拷贝到 sockaddr_in的IP地址部分
C/S socket 交互: TCP
系统自己默认使用了bind,自动分配
argv[1] 主机的名字 argv[2] 端口号 argv[0] 程序的名字
2.9 UDP 套接字编程
UDP: 在客户端和服务器之间 没有连接
• 没有握手
• 发送端在每一个报文中明确地指定目标的IP地址和端口号
• 服务器必须从收到的分组中提取出发送端的IP地址和端口号
UDP: 传送的数据可能乱序,也可能丢失
进程视角看UDP服务 UDP 为客户端和服务器提供不可靠的字节组的传送服务
第2章:小结
应用程序体系结构
客户-服务器 P2P 混合
应用程序需要的服务品质描 述:
可靠性、带宽、延时、安全
Internet传输层服务模式
可靠的、面向连接的服务: TCP
不可靠的数据报:UDP
流行的应用层协议:
HTTP
FTP
SMTP, POP, IMAP
DNS
Socket编程
更重要的:学习协议的知识
应用层协议报文类型:请求/响应报文:
客户端请求信息或服务
服务器以数据、状态码进 行响应
报文格式:
首部:关于数据信息的字段
数据:被交换的信息
控制报文 vs. 数据报文
带内(一个TCP传两种报文)、带外 (两个TCP)
集中式 vs. 分散式
无状态 vs. 维护状态
可靠的 vs. 不可靠的报文传输
在网络边缘处理复杂性
一个协议定义了在两个或多个通信实体之间交换报文的格式和 次序、以及就一条报文传输和接收或其他事件采取的动作
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