计算机网络-网络应用

网络应用

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)5

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？混合能够利用两者的优点同时规避两者的缺点吗？

例如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

进程：主机上运行的程序

客户机进程:发起通信的进程，服务器进程:等待通信请求的进程

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，发送方将消息送到门外邮箱，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，接收方从门外获取消息，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,寻址主机——IP地址,为主机上每个需要通信的进程分配一个端口号,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6

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/响应消息进程如何发送/响应消息

网络应用的需求与传输层服务

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,某些网络应用要求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

• 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

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),服务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,服务器不维护任何有关客户端过去所发请求的信息，即无状态

状态的协议更复杂:需维护状态(历史信息)，如果客户或服务器失效，会产生状态的不一致，解决这种不一致代价高

HTTP连接

• 非持久性连接(NonpersistentHTTP)
  • 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

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

持久性连接

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,给服务器端造成什么影响？

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协议有两类消息:请求消息(request),响应消息(response),请求消息:ASCII：人直接可读

TTP请求消息

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

HTTP响应消息

• HTTP响应状态代码
  • 200 OK
  • 301 Moved Permanently
  • 400 Bad Request
  • 404 Not Found
  • 505 HTTP Version Not Supported

Cookie技术

为什么需要Cookie？

HTTP协议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:某些网站为了辨别用户身份、进行session跟踪而储存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服务器端的后台数据库

Cookie的原理

Cookie能够用于：身份认证,购物车,推荐,Web e-mail,.......

Web缓存/代理服务器技术

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(CDN)

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,缓存既充当客户端，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=100,000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,但是成本太高

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微秒，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秒+0.4×n微秒<1.4秒

条件性GET方法

目标：如果缓存有最新的版本，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>

服务器：如果缓存的版本是最新的，则响应消息中不包含对象,HTTP/1.0 304 Not Modified

Email应用

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

SMTP交互示例

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POP3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
  • Subject
• 消息体(body)
  • 消息本身
  • 只能是ASCII字符

Email消息格式：多媒体扩展

MIME：多媒体邮件扩展RFC 2045, 2056

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]
  • 认证/授权(客户端<-->服务器)和下载
• 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

IMAP协议

所有消息统一保存在一个地方：服务器,允许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之间的映射等

DNS概述

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地址之间如何映射？

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：为什么不使用集中式的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

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b

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8

DNS查询示例

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

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:一条、一条

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

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

DNS协议与消息

总结