应用层原理
创建一个新的网络
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，应用进程批次通信
- 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
- 网络应用只能在端系统上存在
- 快速网络应用开发和部署
网络应用的体系架构
可能的应用架构
- 客户-服务器模式（C/S）
- 对等模式（P2P）
- 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和周知的端口号（约定）
- 扩展性：服务器场
- 数据中心进行拓展
- 拓展性差
- 客户端
- 主动与服务器通信
- 与互连网有间歇性的连接
- 可能是动态IP地址
- 不直接与其他客户端通信
- 缺点
- 可拓展性差
- 达到一定能限，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
- 自拓展性-新peer节点带来新的服务能力，当然也带来新的服务请求
- 参与的主机间歇性连接且可以改变IP地址
- 难以管理
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
- 主机向中心服务器铲鲟资源位置
- 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
- 注意：P2P架构的应用也有客户端进程和服务器进程之分
客户端进程：发起通信的进程
服务器进程：等待连接的进程
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-应用层提供服务是如何（服务）
- 位置：层间界面的SAP（TCP/IP:socket）
- 形式：应用程序接口API（TCP/IP:socke 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（用户使用服务）
- 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
- 进程为了接收报文必须有一个标识，即SAP（发送也需要标识）
- 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
- 主机：唯一的32位IP地址
- 一些知名端口号例子：
- HTTP:TCP 80 Mail:TCP25 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）
- 谁传的：对方的应用进程的标示：IP + TCP(UDP) 端口
- 传给谁：对方的应用进程的标示：对方的IP + TCP(UDP) 端口号
- 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
问题2：传输层提供的服务-层间信息的代表
- 如果Socket API每次传输报文，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服务，两个进程之间的通信需要之前要建立连接
- 两个进程通信会持续一段时间，通信关系稳定
- 可以用一个整数标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，目标端口
- TCP服务，两个进程之间的通信需要之前要建立连接
TCP之上的套接字（socket）
- 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示
- 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
TCP socket
问题2：传输层提供的服务-层间信息代码
- 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一个分布式进程
- 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
- UDP服务，两个进程之间的通信需要之前无需建立连接
UDP之上的套接字（socket）
- 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示
- 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（end point）
- 在发送数据时，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udp，port（另外一个端节点）
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:报文中的各个字段及其描述
- 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</font color=red>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
公开协议:
- 由RFC文档定义
- 允许互操作
- 如HTTP、SMTP
专有（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
数据丢失率
- 有些应用则要求100%的可靠数据传输
- 有些应用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
- 延迟，延迟差
吞吐
- 一些应用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
| 应用 | 数据丢失率 | 吞吐 | 时间敏感性 |
|---|---|---|---|
| 文件传输 | 不能丢失 | 弹性 | 不 |
| 不能丢失 | 弹性 | 不 | |
| Web文档 | 不嫩柜式 | 弹性 | 不 |
| 实时音视频 | 容忍丢失 | 音频：5kbps-1Mbps，视频：100kbps-5Mbps | 是，100ms |
| 存储音视频 | 容忍丢失 | 同上 | 是，几秒 |
| 交互式游戏 | 容忍丢失 | kbps-10kbps | 是，100ms |
| 即时讯息 | 不能丢失 | 弹性 | 是和不是 |
Internet传输层提供的服务
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，最小吞吐保证和安全
- 面向连接：要求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、带宽控制、建立连接
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
- 无需建立连接，省去了建立连接的时间，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告而应用
- 因为为了实现可靠性（准确性、保存等），必须付出时间代价（检错重发）
- 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
Internet应用及其应用层协议和传输协议
| 应用 | 应用层协议 | 下层传输的协议 |
|---|---|---|
| SMTP[RFC 2821] | TCP | |
| 远程终端访问 | Telent[RFC 854] | TCP |
| Web | HTTP[RFC 2616] | TCP |
| 文件传输 | FTP[RFC 959] | TCP |
| 流媒体 | 专用协议 | TCP或UDP |
| Internet电话 | 专用协议 | TCP或UDP |
安全TCP
TCP & UDP
- 都没有加密
- 明文通过互联网传输，甚至密码
SSL
- 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
