专栏
网络应用（上）
- 网络应用（层）内容概述
- 网络应用的基本原理
- - 网络应用体系结构
  - - 客户机/服务器结构
    - 纯P2P结构
    - 混合结构
  - 网络应用进程通信
  - - 网络应用的基础：进程间通信
    - 套接字：Socket
    - 如何寻址进程
    - 应用层协议
  - 网络应用需求
  - - 网络应用对传输服务的需求
    - Internet提供的传输服务
- Web应用
- - Web应用概述
  - - Web与HTTP
    - HTTP协议概述
  - HTTP连接
  - - 非持久性连接
    - 持久性HTTP
  - HTTP消息格式
  - - HTTP请求消息
    - 上传输入的方法
    - HTTP响应消息
  - Cookie技术
  - Web缓存技术
  - - Web缓存示例
- Email应用
- - Email应用概述
  - - Email应用的构成
    - SMTP协议：RFC 2821
  - Email消息格式与POP协议
  - - Email消息格式
    - 邮件访问协议
    - POP协议
    - IMAP协议
- DNS应用
- - DNS概述
  - - 分布式层次式数据库
    - DNS根域名服务器
    - TLD和权威域名解析服务器
    - 本地域名解析服务器
    - DNS查询示例
    - - 例题
    - DNS记录缓存和更新
  - DNS记录和消息格式
  - - DNS记录
    - DNS协议与消息
    - 如何注册域名？

专栏

计算机网络

网络应用（上）

网络应用（层）内容概述

网络应用体系结构
- 客户机/服务器
- P2P
- 混合结构
网络应用的服务需求
- 可靠性
- 带宽
- 时延
Internet传输层服务模型
- TCP
- UDP
特定网络应用及协议
- HTTP
- SMTP，POP，IMAP
- DNS
- P2P应用
Socket编程
- TCP
- UDP

网络应用的基本原理

网络应用体系结构

你使用过哪些网络应用？

网络应用有哪些特点？

与单机应用有哪些本质性的不同？

网络应用应采取什么样的体系结构？

网络应用的体系结构

客户机/服务器结构（Client-Server，C/S）
点对点结构（Peer-to-peer，P2P）
混合结构（Hybrid）

客户机/服务器结构

服务器
- 7*24小时提供服务
- 永久性访问地址/域名
- 利用大量服务器实现可扩展性
客户机
- 与服务器通信，使用服务器提供的服务
- 间歇性接入网络
- 可能使用动态的IP地址
- 不会与其他客户机直接通信
例子：Web

纯P2P结构

没有永远在线的服务器
任意端系统/节点之间可以直接通讯
节点间歇性接入网络
节点可能改变IP地址
优点：高度可伸缩
缺点：难于管理

混合结构

能否将两种结构混合在一起使用？

混合能够利用两种的优点同时规避两种的缺点吗？

Napster
- 文件传输使用P2P结构
文件的搜索采用C/S结构——集中式
- 每个节点向中央服务器登记自己的内容
- 每个节点向中央服务器提交查询请求，查找感兴趣的内容

网络应用进程通信

网络应用的基础：进程间通信

进程：
- 主机上运行的程序
同一主机上运行的进程之间如何通信？
- 进程间通信机制
- 操作系统提供
不同主机上运行的进程间如何通信？
- 消息交换

套接字：Socket

进程间通信利用socket发送/接收消息实现
类似于寄信
- 发送方将信息送到门外邮箱
- 发送方依赖（门外的）传输基础设施将消息传到接收方所在主机，并送到接收方的门外
- 接收方从门外获取信息
传输基础设施向进程提供API
- 传输协议的选择
- 参数的设置

如何寻址进程

不同主机上的进程间通信，那么每个进程必须拥有标识符
如何寻址主机？——IP地址
- Q：主机有了IP地址后，是否足以定位进程？
- A：否。同一主机上可能同时有多个进程需要通信。
端口号/Port number
- 为主机上每个需要通信的进程分配一个端口号
- HTTP Server：80
- Mail Server：25
进程的标识符
- IP地址+端口号

应用层协议

网络应用需遵循应用层协议
公开协议
- 由RFC(Request For Comments)定义
- 允许互操作
- HTTP，SMTP，…
私有协议
- 多数P2P文件共享应用

应用层协议的内容

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（field）？
- 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/响应信息

网络应用需求

网络应用对传输服务的需求

数据丢失（data loss）/可靠性（reliability）
- 某些网络应用能够容忍一定的数据丢失：网络电话
- 某些应用要求100%可靠的数据传输：文件传输，telnet
时间（timing）/延迟（delay）
- 有些应用只有在延迟足够低时才“有效”
- 网络电话/网络游戏
带宽（bandwidth）
- 某些应用只有在带宽达到最低要求时才“有效”：网络视频
- 某些应用能够适应任何带宽——弹性应用：email

典型网络应用对传输服务的需求

Internet提供的传输服务

TCP服务
- 面向连接：客户机/服务器进程间需要建立连接
- 可靠的传输
- 流量控制：发送方不会发送速度过快，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
UDP服务
- 无连接
- 不可靠的数据传输
- 不提供：
  - 可靠性保障
  - 流量控制
  - 拥塞控制
  - 延迟保障
  - 带宽保障

典型网络应用所使用的传输层服务

Web应用

Web应用概述

Web与HTTP

World Wide Wed：Tim Berners-Lee
- 网页
- 网页互相链接
网页（Web Page）包含多个对象（objects）
- 对象：HTML文件、JPEG图片、视频文件、动态脚本等
- 基本HTML文件：包含对其他对象引用的链接
对象的寻址（addressing）
- URL（Uniform Resoure Locator）：统一资源定位器 RFC1738
- Scheme：//host:port/path

HTTP协议概述

万维网应用遵循什么协议？
超文本传输协议
- HyperText Transfer Protocol
C/S结构
- 客户——Browser：请求、接收、展示Web对象
- 服务器——Web Server：响应客户的请求，发送对象
HTTP版本：
1.0：RFC 1945
1.1：RFC 2068
使用TCP传输服务
- 服务器在80端口等待客户的请求
- 浏览器发起到服务器的TCP连接（创建套接字Socket）
- 浏览器接受来自浏览器的TCP连接
- 浏览器（HTTP客户端）与Web服务器（HTTP服务器）交换HTTP消息
- 关闭TCP连接
无状态（stateless）
- 服务器不维护任何有关客户端过去所发请求的消息
- 为什么要采用无状态的协议？

HTTP连接

HTTP连接的两种类型

非持久性连接（Nonpersistent HTTP）
- 每个TCP连接最多允许传输一个对象
- HTTP 1.0版本使用非持久性连接
持久性连接（Persistent HTTP）
- 每个TCP连接允许传输多个对象
- HTTP 1.1版本默认使用持久性连接

非持久性连接

响应时间分析与建模

RTT（Round Trip Time）
- 从客户端发送一个很小的数据包到服务器并返回所经历的时间
响应时间（Response time）
- 发起、建立TCP连接：1个RTT
- 发送HTTP请求消息到HTTP响应消息的前几个字节到达：1个RTT
- 响应消息中所含的文件/对象传输时间
- Total=2RTT + 文件发送时间

持久性HTTP

非持久性连接的问题
- 每个对象需要2个RTT
- 操作系统需要为每个TCP连接开销资源（overhead）
- 浏览器会怎么做？
  - 打开多个并行的TCP连接以获取网页所需对象
  - 给服务器端造成影响
持久性连接
- 发送响应后，服务器保持TCP连接的打开
- 后续的HTTP消息可以通过这个连接发送
- 无流水（pipelining）的持久性连接
  - 客户端只有收到前一个响应后才发送新的请求
  - 每个被引用的对象耗时1个RTT
- 带有流水机制的持久性连接
  - HTTP 1.1的默认选项
  - 客户端只要遇到一个引用对象就尽快发出请求
  - 理想情况下，收到所有的引用对象只需耗时约1个RTT

HTTP消息格式

HTTP请求消息

HTTP协议有两类消息
- 请求消息（request）
- 响应信息（response）
请求消息
- ASCII：人直接可读

HTTP请求消息的通用格式

上传输入的方法

POST方法
- 网页经常需要填写表格（form）
- 在请求消息的消息体（entity body）中上传客户端的输入
URL方法
- 使用GET方法
- 输入信息通过request行的URL字段上传

方法的类型

HTTP/1.0
- GET
- POST
- HEAD
  - 请Server不要将所有请求的对象放入响应消息中
HTTP/1.1
- GET，POST，HEAD
- PUT
  - 将消息体中的文件上传到URL字段所指定的路径
- DELETE
  - 删除URL字段所指定的文件

HTTP响应消息

HTTP响应状态代码

响应消息的第一行
示例
- 200 OK
- 301 Moved Permanently
- 400 Bad Request
- 404 Not Found
- 505 HTTP Version Not Supported

体验HTTP

利用telnet登录到某个Web服务器
- telnet www.hit.edu.cn 80
输入一个HTTP请求
- GET /about/profile.htm HTTP/1.1
- Host:www.hit.edu.cn
查看HTTP服务器所返回的响应信息

Cookie技术

为什么需要Cookie？

HTTP无状态

很多应用需要服务器掌握客户端的状态，如网上购物，如何实现？

Cookie技术

某些网站为例辨别用户身份、进行session跟踪而存储在用户本地终端上的数据（通常经过加密）。
RFC6265

Cookie的组件

HTTP响应消息的cookie头部行
HTTP请求消息的cookie头部行
保存在客户端主机上的cookie文件，由浏览器管理
Web服务端的后台数据库

Cookie的原理

Cookie的作用

Cookie能够用于：
- 身份认证
- 购物车
- 推荐
- Web e-mail
- …
隐私问题

Web缓存技术

功能
- 在不访问服务器的前提下满足客户端的HTTP请求。
为什么要发明这种技术？
- 缩短客户请求的响应时间
- 减少机构/组织的流量
- 在大范围内（Internet）实现有效的内容分发
Web缓存/代理服务器
- 用户设定浏览器通过缓存进行Web访问
- 浏览器向缓存/代理服务器发送所有的HTTP请求
  - 如果所请求的对象在缓存中，缓存返回对象
  - 否则，缓存服务器向原始服务器发送HTTP请求，获取对象，然后返回给客户端并保存该对象
- 缓存既充当服务器，也充当服务器
- 一般由ISP（Internet服务提供商）架设

Web缓存示例

假定：
- 对象的平均大小=100,100比特
- 机构网络中的浏览器平均每秒有15个到原始服务器的请求
- 从机构路由器到原始服务器的往返延迟=2秒
网络性能分析：
- 局域网（LAN）的利用率 = 15%
- 接入互联网的链路的利用率 = 100%
- 总的延迟 = 互联网上的延迟 + 访问延迟 + 局域网延迟 = 2秒 + 几分钟 + 几微秒

解决方案1
- 提升互联网接入带宽 = 10Mbps
网络性能分析：
- 局域网（LAN）的利用率 = 15%
- 接入互联网的链路的利用率 = 15%
- 总的延迟 = 互联网上的延迟 + 访问延迟 + 局域网延迟 = 2秒 + 几微秒 + 几微秒
问题：
- 成本太高

解决方案2
- 安装Web缓存
- 假定缓存命中率是0.4
网络性能分析：
- 40%的请求立刻得到满足
- 60%的请求通过原始服务器满足
- 接入互联网的链路的利用率下降到60%，从而其延迟可以忽略不计，例如10微妙
- 总的平均延迟 = 互联网上的延迟 + 访问延迟 + 局域网延迟 = 0.6 * 2.01 + 0.4 * n微秒 < 1.4秒

条件性GET方法

目标：
- 如何缓存版本有最新的版本，则不需要发送请求对象
缓存：
- 在HTTP请求消息中声明所持有版本的日期
- If-modified-since:< date >
- HTTP/1.0 304 Not Modified

Email应用

Email应用概述

Email应用的构成

Email应用的构成组件
- 邮件客户端（user agent）
- 邮件服务器
- SMTP协议（Simple Mail Transfer Protocol）
邮件客户端
- 读、写Email消息
- 与服务器交互，收、发Email消息
- Outlook，Foxmail，Thunderbird
- Web客户端
邮件服务器（Mail Server）
- 邮箱：存储发给该用户的Email
- 消息队列（message queue）：存储等待发送的Email
SMTP协议
- 邮件服务器之间传递消息所使用的协议
- 客户端：发送消息的服务器
- 服务器：接收消息的服务器

SMTP协议：RFC 2821

使用TCP进行email消息的可靠传输
端口25
传输过程的三个阶段
- 握手
- 消息的传输
- 关闭
命令/响应交互模式
- 命令（command）：ASCII文本
- 响应（response）：状态代码和语句
Email消息只能包含7位ASCII码

Email应用示例

SMTP交互示例

动手尝试SMTP交互

telnet servername 25
服务器返回代码220
输入以下命令与SMTP服务器交互
- HELO
- MALL FROM
- RCPT TO
- DATA
- QUIT

SMTP协议

使用持久性连接
要求消息必须由7位ASCII码构成
SMTP服务器利用CRLF.CRLF确定消息的结束

与HTTP对比：

HTTP：拉式（pull）
SMTP：退式（push）
都使用命令/响应交互模式
命令和状态代码都是ASCII码
HTTP：每个对象封装在独立的响应消息中
SMTP：多个对象在由多个部分构成的消息中发送

Email消息格式与POP协议

Email消息格式

SMTP：email消息的传输/交换协议
RFC 822：文本消息格式标准
- 头部行(header)
  - To
  - From 与SMTP不同
  - Subject
- 消息体(body)
  - 消息本身
  - 只能是ASCII字符

多媒体扩展

MIME：多媒体邮件扩展 RFC 2045，2056
- 通过在邮件头部增加额外的行以声明MIME的内容类型

邮件访问协议

邮件访问协议：从服务器获取邮件
- POP：Post Office Protocol [RFC 1939]
IMAP：Internet Mail Access Protocol [RFC 1730]
- 更多功能
- 更加复杂
- 能够操纵服务器上存储的消息
HTTP：163，QQ Mail等。

POP协议

认证过程
- 客户端命令
  - User：声明用户名
  - Pass：声明密码
- 服务器响应
  - +OK
  - -ERR
事物阶段
- List：列出消息数量
- Retr：用编号获取消息
- Dele：删除消息
- Quit
“下载并删除”模式
- 用户如果换了客户端软件，无法重读该邮件
“下载并保持”模式：不同客户端都可以保留消息的拷贝
POP3是无状态的

IMAP协议

所有消息统一保存在一个地方：服务器
运行用户利用文件夹组织消息
IMAP支持跨会话（Session）的用户状态：
- 文件夹的名字
- 文件夹与消息ID之间的映射

DNS应用

DNS概述

DNS：Domain Name System

Internet上主机/路由器的识别问题
- IP地址
- 域名：www.hit.edu.cn
问题：域名和IP地址直接如何映射？
域名解析系统DNS
- 多层命名服务器构成的分布式数据库
- 应用层协议：完成名字的解析
  - Internet核心功能，用应用层协议实现
  - 网络边界复杂
DNS服务
- 域名向IP地址的翻译
- 主机别名
- 邮件服务器别名
- 负载均衡：Web服务器
问题：为什么不适应集中式的DNS？
- 单点失败问题
- 流量问题
- 距离问题
- 维护性问题

分布式层次式数据库

客户端想要查询www.amazon.com的IP
- 客户端查询根服务器，找到com域名解析服务器
- 客户端查询com域名解析服务器，找到amazon.com域名解析服务器
- 客户端查询amazon.com域名解析服务器，获得www.amazon.com的IP地址

DNS根域名服务器

本地域名解析服务器无法解析域名时，访问根域名服务器
根域名服务器
- 如果不知道映射，访问权威域名服务器
- 获得映射
- 向本地域名服务器返回映射
全球有13个根域名服务器

TLD和权威域名解析服务器

顶级域名服务器（TLD，top-level domain）：负责com，org，net，edu等顶级域名和国家顶级域名，例如cn，uk，fr等
- Network Solutions维护com顶级域名服务器
- Educause维护edu顶级域名服务器
权威（Authoritative）域名服务器：组织的域名解析服务器，提供组织内部服务器的解析服务
- 组织负责维护
- 服务提供商负责维护

本地域名解析服务器

不严格属于层级体系
每个ISP有一个本地域名服务器
- 默认域名解析服务器
当主机进行DNS查询时，查询被发送到本地域名服务器
- 作为代理（proxy），将查询转发给（层级式）域名解析服务器系统

DNS查询示例

Cis.poly.edu的主机想获得gaia.cs.umass.edu的IP地址
迭代查询
- 被查询服务器返回域名解析服务器的名字
- “我不认识这个域名，但是你可以问题这服务器”
递归查询
- 将域名解析的任务交给所联系的服务器

例题

如果本地域名服务器无缓存，当采用递归方法解析另一网络某主机域名时，用户主机、本地域名服务器发送的域名请求消息数分别为

A.一条、一条
B.一条、多条
C.多条、一条
D.多条、多条

【解析】域名递归解析过程中，主机向本地域名服务器发送DNS查询，被查询的域名服务器代理后续的查询，然后返回结果。所以，递归查询时，如果本地域名服务器无缓存，则主机和本地域名服务器都仅需要发送一次查询，故正确答案为 A 。

DNS记录缓存和更新

只要域名解析服务器获得域名——IP映射，即缓存这一映射
- 一段时间过后，缓存条目失效（删除）
- 本地域名服务器一般会缓存顶级域名服务器的映射
  - 因此根域名服务器不经常被访问
记录的更新/通知机制
- RFC 2136
- Dynamic Updates in the Domain Name System (DNS UPDATE)

DNS记录和消息格式

DNS记录

资源记录（RR，resource records）
Type=A
- Name：主机域名
- Value：IP地址
Type=NS
- Nama：域（edu.cn）
- Value：该域权威域名解析服务器的主机域名
Type=CHAME
- Name：某一真实域名的别名
  - www.ibm.com - servereast.backup2.ibm.com
- Value：真实域名
Type=MX
- value是与name相对应的邮件服务器

DNS协议与消息

DNS协议：
- 查询（query）和回复（reply）消息
- 消息格式相同
消息头部
- Identification：16位查询编号，回复使用相同的编号
- flags
  - 查询或回复
  - 期望递归
  - 递归可用
  - 权威回答

如何注册域名？

例子：你刚刚创建了一个公司“Network Utopia”
在域名管理结构（如Network Solutions）注册域名networkutopia.com
- 向域名管理机构提供你的权威域名解析服务器的名字和IP地址
- 域名管理机构向com顶级域名解析服务器中插入两条记录
在权威域名服务器中为www.networkutopia.com加入Type A记录，为networkutopia.com加入Type MX记录

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