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# 二。第二章：应用层

# 1. 应用层原理

# (1). 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
    • 网络核心中没有应用层功能
    • 网络核心只有再端系统上存在，快速网络应用开发和部署

# (2). 网络应用的体系加购

  • 客户 — 服务器模式 (C/S：client/server)
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  • 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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# (3). 进程通信

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# (4). 分布式进程需要解决的问题

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  • 标识进程，需要定义两种信息：

    1. 主机的地址
      • 主机由其 IP 地址标识
    2. 再目的主机中指定接收进程的标识符
      • 用目的端口号来进行标识，特定的服务端拥有特定的端口号

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  • TCP 之上的套接字 (socket)
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  • image-20220330162301890

  • UDP 之上的套接字 (socket)

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  • 套接字
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  • 应用层协议
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  • Internet 传输层提供的服务

    • TCP 服务
      • 可靠的传输服务
      • 流量控制：发送方不会淹没接收方
      • 拥塞控制：当网络出现用塞时，能抑制发送方
      • 不能提供的服务：时间保证、最小吞吐保证和安全
      • 面向连接：要求再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
      • 不能提供的服务：可靠、流量控制、拥塞控制、时间、带宽保证、建立连接
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# 2. Web and HTTP

# (1). 术语

  • Web 页：由一些对象组成
  • 对象可以是 HTM 文件，JPEG 图像、Java 小程序、声音剪辑文件等
  • Web 也含有一个基本的 HTML 文件，该基本文件、又包含若干对象的引用 (链接)
  • 通过 URL 对每个对象进行引用
    • 访问协议，用户名，口令字，端口等
  • URL 格式：
    • image-20220330214913519

# (2). HTTP 概况

  • HTTP：超文本传输协议

  • Web 的应用层协议

  • 客户 / 服务器模式

    • 客户：请求、接收和显示 Web 对象的浏览器
    • 服务器：对请求进行响应，发送对象的 Web 服务器

  • HTTP 1.0：RFC 1945

  • HTTP 1.1：RFC 2068

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  • HTTP 使用在 TCP 上

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# (3). HTTP 链接

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  • 响应时间模型
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  • image-20220407194224093

# (4).HTTP 报文格式

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  • image-20220407194652014

  • 提交表单输入

    1. POST 方式：

      • 网页通常包括表单输入
      • 包含实体主体 (entity body) 中的输入被提交到服务器

    2. URL 方式：

      • 方法：GET・
      • 输入通过请求行的 URL 字段上载

    3. 方法类型：

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    • image-20220407200305547
      TCP 无边界，需要进程自己去区分前部 message 和后部 message。
    • HTTP 响应状态码：
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# (5). 用户 — 服务器状态：Cookies

  • image-20220407215325951

  • image-20220407215851561

# (6).Web 缓存 (代理服务器)

    • 目标：不访问原时服务器，就满足客户的请求
    • 用户设置浏览器：通过缓存访问 Web
    • 浏览器将所有的 HTTP 请求发给缓存
      • 在缓存中的对象：缓存直接返回对象
      • 如对象不在缓存，缓存请求原始服务器，然后再将对象返回给客户端
    • image-20220407221951845
    • 缓存既是客户端又是服务端
    • 通常缓存是由 ISP 安装 (大学、公司、居民区 ISP)
    • Web 缓存的好处：
      • 降低客户端请求响应时间
      • 可以大大减少一个机构内部网络与 Internet 接入链路上的流量
      • 互联网大量采用缓存：额可以使较弱的 ICP 也能够有效提供内容
  • 非 Web 缓存：
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  • Web 缓存：
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# (7). 条件 GET 方法

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# 3. FTP：文件传输协议

  • 向远程主机上传输文件或从远程主机接收文件

  • 客户 / 服务器模式

    • 客户端：发起传输的一方
    • 服务器：远程主机

  • ftp：RFC 959

  • ftp 服务器：端口号为 21

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  • image-20220409172853927

  • image-20220409173600878

# 4. Email

  1. 3 个主要组成部分：

    • 用户代理

      • 又名 “邮件阅读器”
      • 撰写、编辑和阅读邮件
      • 如 outlook、Foxmail
      • 输出和输入邮件保存在服务器上

    • 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

    • 简单邮件传输协议：SMTP

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      • image-20220410143758639

  2. image-20220410133046345

  3. image-20220410145028517

  4. POP3 协议
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  5. image-20220410144621340

# 5. DNS

# (1). DNS 必要性

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  • DNS 完成域名到 IP 地址的转化

# (2). DNS 总体思路和目标

  1. DNS 的主要思路
    • 分层的、基于域的命名方式，用于解决设备命名问题
    • 若干分布式的数据库存储域名和相应 IP 地址，完成名字到 IP 地址的方式，解决域名到 IP 地址的问题
    • 运行在 UDP 之上端口号为 53 的应用服务，DNS 的实现具有事务性特点，需要即时转换
    • 核心的 Internet 功能，但以应用层协议实现，在网络边缘实现
      • 网路边缘处理复杂性
  2. DNS 主要目的
    • 实现主机名 - IP 地址的转换 (name/IP translate)
    • 其他目的
      • 主机别名到规范名字的转化：Host aliasing
      • 邮件服务器别名到邮件服务器的正规名字的转换：Mail server aliasing
      • 负载均衡：Load Distribution

# (3). DNS 域名结构

  • 一个层面命名设备会有很多重名
  • DNS 采用层次树状结构的命名方法，以倒着的树来命名
  • Internet 跟被划分为几百个顶级域 (top lever domains)
    • image-20220410155911558
  • 每个 (子) 域下面课可划分为若干个子域 (subdomains)
  • 树叶是主机
  • 全球共有 13 个根名字服务器

# (4). DNS 的名字空间

  • 域名
    • 从本域网上，直到树根
    • 中间使用 “.” 间隔不同的级别
    • 例如：ustc.edu.cn auto.usts.edu.cn
    • 域的域名：可以用于表示一个域
    • 主机的域名：一个域上的一个主机
  • 域名的管理
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  • 域与物理网络无关
    • 域遵从组织界限，而不是物理网络
      • 一个域的主机可以不在一个网络上
      • 一个网络的主机可以不在一个域
    • 域的划分是逻辑的，而不是物理的

# (5). 域名 - IP 地址转化

  • 一个名字服务器的问题

    • 可靠性问题：单点故障
    • 扩展性问题：通信容量
    • 维护问题：远距离的集中式数据库

  • 区域

    • 区域的划分有区域管理者自己决定
    • 将 DNS 名字空间划分为互不相交的区域，每个区域都是树的一部分
    • 名字服务器：
      • 每个区域都有一个名字服务器；维护着它所管辖区域的权威信息
      • 名字服务器允许被放置在区域之外，以保障可靠性

  • 权威 DNS 服务器：组织机构的 DNS 服务器，提供组织机构服务器 (如 Web 和 mail) 可访问的主机和 IP 之间的映射。组织机构可以选择实现自己维护或某个服务提供商来维护。

  • 顶级域 (TLD) 服务器：
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  • 区域名字服务器维护资源记录
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# (6). DNS 的大致工作过程

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  • 本地名字服务器 (Local Name Server)
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  • 名字服务器

    • 当本地名字服务器拥有本地缓存时，直接返回

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  • 递归查询

    • 当本地服务器没有缓存，不能解析时，会顺着上一层次的服务器进行查询，
    • image-20220410220447168

  • 迭代查询

    • image-20220410220546365

# (7). DNS 协议、报文

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  • 提高性能
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  • 维护问题：新增一个域
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  • 攻击 DNS
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# 6. P2P 应用

# (1). 纯 P2P 架构

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# (2). 文件分发时间

  • image-20220412103756158

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# (3).P2P 文件分发

  • 结构化 (DHT) 和非结构化 P2P

    • 覆盖网络：Peer 节点之间有逻辑撒上的网络连接，有数据上的交流，有 “边”，有邻居的关系

    • 结构化：Peer 节点构成的的覆盖网络是有序的，像树，环类似的有序结构

      • image-20220412132002881

      • 每一份资源都由一组关键字进行标识。系统对其中的每一个关键字进行 Hash，根据 Hash 的结果决定此关键字对应的那条信息（即资源索引中的一项）由哪个用户负责储存。

    • 非结构化：Peer 节点构成的的覆盖网络是无序的

      • 集中化目录

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          • 问题：

            • 单点故障
            • 性能瓶颈
            • 侵犯版权

          • 完全分布式

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              • Gnutella：
                • 在已有的 TCP 连接上发送查询报文
                • 对等方转发查询报文
                • 以反方向返回查询命中报文

            • 混合体

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              • image-20220412111754652

  • BitTorrent：(非结构化代表)

    • 文件被分为一个个块 256KB，再使用另一张由每个 1bit 组成的 map 来表示是否拥有文件块。一个 bit 中 1 表示拥有，0 表示没有

    • 网络中的这些 peer 发送接收文件块，相互服务

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    • image-20220412125219735

    • image-20220412130809889

# (4). CDN

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  • 流化服务

    • 将视频为许多的流组成，在看视频时，一边播放视频一边加载后面的内容，而不是将整个视频先下载，再观看。这样大大减少了用户的等待时间
    • DASH
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  • CND (内容分发网)

    • CDN 原理

      img

      上图假设一个内容提供商 NetCinema 雇佣了第三方内容提供商 KingCDN 来分发视频，在 NetCinema 的 Web 网页上，它的每个视频都被指派了一个 URL，如 video.netcinema.com/23425235 ，接下来将会发生图中的 6 个步骤：

      1. 用户访问 www.NetCinema.com , 并返回 video.netcinema.com/23425235 ；
      2. 用户点击 video.netcinema.com/23425235 时，该用户的主机发送了一个对于 video.netcinema.com 的 DNS 请求
      3. 用户的本地 DNS 服务器（LDNS）将该 DNS 请求中继到一个用户 NetCinema 的权限 DNS 服务器，该服务器看到是 video，就将 DNS 请求移交给 KingCDN，NetCinema 权威 DNS 服务器不返回 IP 地址，而是返回一个 KingCDN 域的主机名，如 123.kingcdn.com
      4. 当 LDNS 拿到 123.kingcdn.com 时，就去请求 KingCDN 权威 DNS 服务器，KingCDN 权威 DNS 服务器这时返回的才是 KindCDN 服务器的 IP 地址
      5. LDNS 把 KindCDN 服务器的 IP 地址返回给用户
      6. 用户拿到 KindCDN 服务器的 IP 地址后，就发起连接请求，并获取资源

    • 集群选择策略

      • 任何 CDN 的部署，其集群选择策略很重要，因为关乎到用户体验和网络性能，用户选择太远的集群，就会造成网络损耗，所以集群选择策略有两种：
        • 基于地理位置最为临近的。这种可以根据用户 IP 作出选择，比如基于商用地理位置数据库可以查询到用户的地理位置
        • 基于当前流量条件选择最优。这种需要对集群和客户之间的时延和丢包性能做周期性的实时测量

# (5). TCP 套接字编程

  • 2 种传输层服务的 socket 编程
    • TCP：可靠的、字节流服务
    • UDP：不可靠 (数据 UDP 数据报) 服务
  • 套接字：应用进程与端到端船速协议 (TCP 或 UDP) 之间的门户
  • TCP 服务：从一个进程向另一个进程可靠地传输字节流
  • 工作过程：
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  • 两种结构体
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    • image-20220417160838113
    • image-20220417162204843 > image-20220417162414038
    • image-20220417162513540 > image-20220417162527933

# (6). UDP 套接字编程

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    • image-20220417163109859 > image-20220417163128298
    • image-20220417163149229 > image-20220417163210315