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【计算机网络：自顶向下方法】(二)应用层

文章目录

应用层
- 如何创建一个新的网络应用?
2.1 应用层原理
- 网络应用的体系结构
- - 对等模式(P2P:Peer To Peer)
  - 混合体：客户-服务器和对等体系结构
- 进程通信
- - 分布式进程通信需要解决的问题
  - - 问题1：进程标示和寻址问题（服务用户）
    - 问题2：传输层提供的服务-层间信息的代表
    - - TCP上的socket
      - UDP上的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
- - - Internet 传输层提供的服务
    - 为什么要有UDP
    - 安全&TCP
2.2 Web and HTTP
- HTTP
- - HTTP连接
- HTTP请求报文
- 用户-服务器状态： cookies
- Web缓存 (代理(proxy server)服务器)
- - 条件GET方法
- FTP：文件传输协议
- 电子邮件（EMail）
- - eg
  - 简单的SMTP交互
  - 小结
  - 邮件报文格式
  - POP3
- DNS (53端口, 给应用程序应用的程序 )
- - DNS系统需要解决的问题
  - 问题2：解析问题-名字服务器(NameServer)
  - DNS协议、报文
  - 提高性能 -- > 缓存
  - 问题3：维护问题：新增一个域
  - 攻击DNS
- P2P
- - 文件分发
  - - BitTorrent
  - p2p文件共享
  - - 集中式目录
    - 泛洪 (完全分布式)
  - 利用不匀称性：KaZaA
- CDN
- - 视频流化服务和CDN：上下文
- Socket编程
- - - socket俩个重要的数据结构
  - UDPsocket 编程
  - - 运行过程
  - TCPsocket 编程
  - - TCP中的socket编程示例
==**🌹感谢阅读🌹**==

学习推荐：中科大计算机网络自顶向下

应用层

如何创建一个新的网络应用?

编程
- 在不同的端系统上运行 通过网络基础设施提供的服务，应用进程彼此通信
- 如Web: Web 服务器软件与浏览器软件通信
网络核心中没有应用层软件
- 网络核心没有应用层功能
- 网络应用只在端系统上存在，快速网络应用开发和部署

2.1 应用层原理

网络应用的体系结构

在这里插入图片描述

对等模式(P2P:Peer To Peer)

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混合体：客户-服务器和对等体系结构

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进程通信

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分布式进程通信需要解决的问题

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问题1：进程标示和寻址问题（服务用户）

HTTP默认端口号 80 SMTP ： 25

问题2：传输层提供的服务-层间信息的代表

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TCP上的socket

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UDP上的socket

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问题3：如何使用传输层提供的服务实现应用

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应用层协议

在这里插入图片描述

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?
常见应用对传输服务的要求

Internet 传输层提供的服务

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为什么要有UDP

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安全&TCP

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2.2 Web and HTTP

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HTTP

超文本传输协议( HyperText Transfer Protocol) : 文本与文本之间任意指向的关系
Web页面（也叫文档） : 由对象注册的，一个对象只是一个文件.
多数Web页面含有一个基本的HTML文件

HTTP连接

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非持久HTTP连接
响应时间模型
持久HTPP

HTTP请求报文

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提交表单输入

用户-服务器状态： cookies

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Web缓存 (代理(proxy server)服务器)

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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

在这里插入图片描述

改进

缓存例子：安装本地缓存
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

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

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FTP：文件传输协议

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电子邮件（EMail）

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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
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

eg

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简单的SMTP交互

telnet servername 25
 enter HELO, MAIL FROM, RCPT TO, DATA, QUIT commands

小结

HTPP ：拉协议，用户使用HTTP从服务器拉取这些信息
SMTP ：推协议,发送邮件服务器把文件推向接受邮件服务器。

邮件报文格式

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POP3

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DNS (53端口, 给应用程序应用的程序 )

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负载均衡： DNS也用于冗余的服务器之间进行负载分配，繁忙的站点被冗余分布在多台服务器上，每台服务器均运行在不同的端系统上，每个都有不同的IP地址。

DNS系统需要解决的问题

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问题2：解析问题-名字服务器(NameServer)

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Value : IP
T ： type
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，缓冲记录)
- Class 类别：对于Internet，值为IN
- Value 值：可以是数字，域名或ASCII串
- Type 类别：资源记录的类型—见下页

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DNS协议、报文

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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

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攻击DNS

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P2P

纯P2P架构 :  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)
非结构化P2P ：集中化目录，完全分布式，混合
结构化p2p ：DHT（分布式散列表）维护环or树的有序拓扑结构( 不断深入的过程)

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分布式命名
哈希值对应唯一的ID

文件分发

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？
CS模式
当N足够的大的时候，取等号
P2P模式

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BitTorrent

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p2p文件共享

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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

集中式目录

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泛洪 (完全分布式)

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利用不匀称性：KaZaA

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KaZaA：查询

CDN

视频流化服务和CDN：上下文

流量大、用户多、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
由于存储下载视频是一对一的关系，则下载未免有些慢了，于是就有了存储视频的流化服务.
多媒体流化服务：DASH

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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 “over the top”

1 ：流量服务器
2、向本地DNS服务器解析
3、返回URL
4、告诉他离他最近的客户端的ip地址
6、再由kingCDN 向客户提供流化服务

Socket编程

目标：建立客户机/服务器的应用中的通信运用socket
socket：相当于应用进程和点对点传输协议之间的一扇门
socket类型：对应TCP和UDP有两种socket
### TCP Socket
+ 过程

主要！！
重点理解堵塞，堵塞的时候可以实现多进程。。OS的内容
服务器一个端口对应许多个客户端端口，每个都是独立的会话关系，对应不同的socket。老师说过要区分端口和socket的概念
TCP端口整数代表的是一个会话关系
TCP ：四元组！ < 1， 2，3， 4>
一个端口只能被一个服务器进程绑定，可以被多个进程共用。
端口是可以共用的，而socket的整数值不一样的
Welcome socket : 返回一个整数

socket俩个重要的数据结构

// 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; //地址族u_short sin_port;// port端口struct in_addr ,sin_addr; //IP 地址char sin_zero[8]; // align  对齐
};//数据结构 hostent 域名和IP地址的数据结构
struct hostent { char *h_name;//主机域名char **h_aliases; //数组存储 主机别名  int h_addrtype; int h_length; /*地址长度*/char **h_addr_list; // 数组存储 IP地址#define h_addr h_addr_list[0];
};

UDPsocket 编程

UDP提供的是一种不可靠的数据流传输，传输过程中可能会丢包，接收的时候顺序也可能被打乱。

UDP：客户机与服务器之间没有连接

发送数据前不需要握手
发送数据包附加IP地址+端口号
接收方从数据包中提取处IP地址+端口号
UDP中的socket编程示例
下面俩个程序的作用是在用户端发送字符串给服务端, 然后服务端把字符串修改为大写在发送给客户端
这里jupyter notebook中进行编程，安装好jupyter notebook后，在命令行执行（我用的vscode）UDPServer.ipynb

from socket import * #引入socket库serverPort = 12000 #服务器端口号
serverSocket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM) #创建服务器套接字
serverSocket.bind(('', serverPort)) #给套接字绑定端口号
print('The server is ready to receive.')while True: #服务器要一直在线等待，所以给一个死循环message, clientAddress = serverSocket.recvfrom(2048) #从服务器套接字中读取信息（发送的消息和客户机IP地址+端口号）modifiedMessage = message.decode().upper() #对消息进行处理（此处是改大写）serverSocket.sendto(modifiedMessage.encode(), clientAddress) #将处理后的消息发回给客户机

UDPClient.ipynb

from socket import * #引入socket库serverName = gethostname() #由于没得服务器，服务器主机用本机来当
serverPort = 12000 #服务器端口号
clientSocket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM) #创建客户机套接字message = input('Input lowercase sentence:') #得到输入字符串
clientSocket.sendto(message.encode(),(serverName, serverPort)) #发送数据到相应主机名+端口号的服务器进程modifiedMessage, serverAddress = clientSocket.recvfrom(2048) #接收服务器发回的消息
print(modifiedMessage.decode()) #显示接收的字符串clientSocket.close() #关闭客户机socket

运行过程

必须先运行服务器端

在这里插入图片描述

TCPsocket 编程

服务器的先行准备
- 服务器必须先运行
- 服务器需要创建socket来连接客户机
客户机连接服务器
- 客户机需要创建自己的socket，明确服务器进程的IP地址和端口号
- 客户机创建socket时，客户机和服务器之间需建立TCP连接
服务器接收客户机消息
- 服务器需创建一个新的socket，为了服务器进程能够和客户机进行通信
  - 要运行服务器与多个客户机进行通信
  - 用源的端口号来区分不同的客户机

TCP提供的是一种可靠的字节流（byte-stream）传输（pipe）。

在这里插入图片描述

TCP中的socket编程示例

TCP服务器代码
TCPServer.ipynb

from socket import * #引入socket库serverPort = 12000 #服务器端口号
serverSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM) #创建服务器套接字（前台）
serverSocket.bind(('', serverPort)) #给套接字绑定端口号
serverSocket.listen(1)
print('The server is ready to receive.')while True: #服务器要一直在线等待，所以给一个死循环connectionSocket, addr = serverSocket.accept() #前台套接字接收到请求后，创建一个新的套接字（窗口）sentence = connectionSocket.recv(1024).decode() #窗口套接字读取信息capitalizedSentence = sentence.upper() #对消息进行处理（此处是改大写）connectionSocket.send(capitalizedSentence.encode()) #将处理后的信息发回给客户机connectionSocket.close() #关闭窗口套接字，前台套接字保持开放

TCP客户机代码
TCPClient.ipynb

from socket import * #引入socket库serverName = gethostname() #由于没得服务器，服务器主机用本机来当
serverPort = 12000 #服务器端口号
clientSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM) #创建客户机套接字(类型为字节流SOCK_STREAM)
clientSocket.connect((serverName, serverPort)) #TCP连接sentence = input('Input lowercase sentence:') #得到输入字符串
clientSocket.send(sentence.encode()) #发送数据到服务器modifiedSentence = clientSocket.recv(1024) #接收服务器发回的消息
print('From server:', modifiedSentence.decode()) #显示接收的字符串clientSocket.close() #关闭客户机socket