远方的岛第二章 应用层
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2.1 网络应用体系结构
- 客户机/服务器结构（C/S）
- 点对点结构（P2P）
- 混合结构
2.2 网络应用通信原理
网络应用的基础：进程间通信
套接字Socket、进程的标识符：IP地址 + 端口号
应用层协议：公开协议/私有协议
内容：消息的类型、消息的语法/格式、字段的语义、规则
需求：数据丢失/可靠性、时间/延迟、带宽
Internet提供的传输服务：TCP、UDP
TCP（传输层）
- 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（传输层）
- 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
2.3 域名解析系统（DNS）
域名和IP地址之间如何映射：多层命名服务器构成的分布式数据库
本地域名解析服务器：不严格属于层级体系，当主机进行DNS查询时，查询首先被发送到本地域名服务器，作为代理，将查询转发给（层级式）域名服务器系统
本地域名服务器无法解析域名时，查询根域名服务器
顶级域名服务器: 负责com, org, net, edu等顶级域名和国家顶级域名，例如cn, uk, fr等
权威域名服务器：组织的域名服务器，提供组织内部服务器的解析服务
绝大多数 DNS 查询都是基于 UDP 进行的。
课堂练习
A
2.4 FTP应用（未讲，考）
向远程主机传输文件或从远程主机传输文件，使用C/S结构
客户端：发起传输的一端（无论是向远程传输或从远程传输）
服务器：远程主机
FTP 使用 两个 TCP 连接：
- 控制连接：客户端在端口 21 联系服务器，通过控制连接被授权，随后可以浏览远程目录，通过控制连接发送命令，持久
- 数据连接：当服务器接收到文件传输命令时，服务器向客户端打开第二条数据连接（主动方式使用 TCP20 端口，被动方式由服务器和客户端自行协商决定），在传输完一个文件后，服务器关闭数据连接，不持久
控制信息与数据传输是 分开的，这就是 带外控制（Out-of-band control）。
FTP 服务器维持状态：当前目录、较早的认证
2.5 Email应用
客户端、服务器、SMTP协议(Simple Mail Transfer Protocol)
SMTP：email消息的传输/交换协议，使用TCP进行email消息的可靠传输，端口25
MIME：多媒体邮件扩展，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
- POP（Post Office Protocol）：无状态
- IMAP（Internet Mail Access Protocol）：所有消息统一保存在服务器，允许用户利用文件夹组织消息，支持跨会话的用户状态
- HTTP：Web Mail
课堂练习
2.6 Web应用
HTTP协议
HTTP协议（超文本传输协议，HyperText Transfer Protocol）：C/S结构，TCP协议，端口80，无状态（服务器不维护任何有关客户端过去所发请求的信息）
HTTP请求消息
HTTP响应消息
HTTP响应状态代码
HTTP/1.0：非持久性连接
每个TCP连接传输一个对象，非持久性连接
RTT：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
优化：并行连接
HTTP/1.1：流水的持久连接
持久连接：发送响应后，服务器保持TCP连接打开，后续HTTP消息可以通过这个连接发送，每个TCP连接允许传输多个对象
非流水持久连接：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
流水的持续连接：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/1.1版本默认使用流水的持久连接
服务器顺序响应（FCFS调度），在大对象之后请求的小对象，需要等待大对象的传输，若发生数据丢失会暂停对象传输
HTTP/2
减少多对象请求的时延（响应时间），将对象分割为系列“帧”，不同对象的帧交替传输
对象传输顺序基于客户定义的对象优先级（非FCFS调度）
HTTP/3：QUIC
基于UDP的应用层协议
应用层实现连接建立、错误控制、拥塞控制等功能
Web缓存/代理服务器
在不访问源服务器的前提下满足客户端的HTTP请求，缓存既充当客户端，也充当服务器，一般由ISP架设
条件性GET方法
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）。
- 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
应用：身份认证、购物车、推荐、Web e-mail
存在隐私问题
课堂练习
Connection: Close 明确表示 请求结束后关闭连接，不是使用持续连接（HTTP/1.1 默认是持久连接，除非指定 Close）。2.7 P2P应用
没有服务器，任意端系统之间直接通信，节点阶段性接入Internet，节点可能更换IP地址
文件分发：P2P
从一个服务器向N个节点分发一个文件需要多长时间？
加上服务器和客户共同上传 NF 比特数据时间，是因为整个系统要把文件分发给所有客户。这不仅仅是服务器的工作，每个客户也贡献上传带宽，所以总上传量是 N⋅F 比特，总上传速率是服务器带宽 + 所有客户带宽。计算时间时必须考虑这个总量，才能得到系统完成分发所需的最小时间。
文件分发：BitTorrent
- 文件划分为256KB的chunk，节点加入torrent，获取chunk的同时，节点需要向其他节点发送chunk
- 一个 peer 通常 同时 unchoke（允许上传）给 4 个对等端（这是默认策略）。
- 还有一个 optimistic unchoke，随机选择一个额外 peer，每隔一段时间切换。
- 节点可能加入或离开，一旦节点获得完整的文件，它可能（自私地）离开或（无私地）留下
P2P索引
- 集中式索引：节点加入时通知中央服务器，内容和文件传输是分布式的，但内容定位是高度集中式的
- 单点失效问题、性能瓶颈、版权问题
- 分布式索引：洪泛式查询
- 层次式覆盖网络：介于集中式索引和洪泛查询之间的方法，每个节点或者是一个超级节点，或者被分配一个超级节点，超级节点负责跟踪子节点的内容
分布式哈希表（DHT）（未讲，了解即可）
2.8 Socket编程（自学）
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