【计算机网络】【应用层概述】

应用层

发展历史

• 1970s：基于文本的应用
  • 文本电子邮件
  • 远程访问计算机
  • 文件传输
  • 新闻
• 1990s
  • Web冲浪
  • 电子商务
• 20世纪末
  • 即时通讯
  • 对等文件共享P2P
• 2000年以来：语音、视频游戏应用
  • IP电话(VoIP)
  • IP视频会议(Skype)
  • 视频分享Youtube
  • 电影点播(Netflix)
  • 在线游戏：魔兽世界
  • 社交网络：Facebook, Twitter

主要内容

• 网络应用体系结构
  • 客户机/服务器
  • P2P
  • 混合结构
• 网络应用的服务需求
  • 可靠性
  • 带宽
  • 时延
• Internet传输层服务模型
  • TCP
  • UDP
• 特定网络应用及协议
  • HTTP
  • SMTP，POP，IMAP
  • DNS
    • 在应用层实现网络核心功能
  • P2P应用
• Socket编程
  • TCP
  • UDP

网络应用的体系结构

网络应用有那些特点

• 与单机应用有那些本质性不同
  • 网络硬件环境
  • 多主机交互
• 网络应用应采取什么样的体系结构
  • 客户机/服务器结构(Client - Server CS)
  • 点对点结构(Peer to Peer, P2P)
  • 混合结构(Hybrid)

客户机/服务器结构

• 功能决策划分
  • 服务器：对外提供服务
  • 客户机：使用服务
• 服务器
  • 7*24不间断服务
  • 永久性访问地址/域名
  • 数据中心
    • 利用大量服务器实现可扩展性，同时处理大量并发请求
• 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
  • 肯能使用动态IP地址
  • 不会与其他客户机直接通信
• 例子
  • Web
  • FTP
  • *Telnet
  • Email

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
• 节点肯能改变IP地址
• 最常见的：文件共享服务BT
• 优点
  • 高度可伸缩(自扩展性)
  • 不需要庞大的服务器基础设施和服务器带宽
• 问题
  • ISP友好：因为上传和下载速度不对等，增加了ISP的压力
  • 安全性：高度分布和开放，难于管理
  • 激励用户：资源向应用提供带宽、存储和计算资源
• 例子
  • 文件共享(BitTorrent)
  • 对等协助下载器(迅雷)
  • 因特网电话(Skype)
  • IPTV(迅雷看看)

混合结构

• Napster
  • 文件传输使用P2P结构：分散式
  • 文件搜索采用C/S结构：集中式
    • 每个节点向中央服务器登记内容
    • 每个节点向中央服务器提数据

网络应用进程通信

• 网络应用的基础：进程间通信
• 进程：主机上运行的程序
• 同一主机的进程通信
  • 进程间通信机制
  • 操作系统提供
• 不同主机进程通信
  • 消息(报文)交换
  • 客户机进程：发起通信的进程
  • 服务器进程：等待通信请求i的进程

套接字：Socket

• 进程与计算机网络之间的接口

• 应用层和运输层之间的接口

• 进程间通信利用socket发送/接收消息

• 传输基础设施向进程提供API(应用对传输层的控制)

  • 传输协议的选择
  • 参数的设置

进程寻址

• 寻址主机
  • IP地址
• 寻址进程
  • 端口号/Port Number
    • 为主机每个需要通信的进程分配一个端口号
    • HTTP Server：80
    • Mail Server：25
    • 更多：http://www.iana.org
• 网络进程的标识符
  • IP地址 + 端口号

应用层协议

• 网络应用需遵循应用层协议
• 网络应用的重要组成部分
• 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
  • Skype

应用层协议的内容

• 消息类型(type)
  • 请求
  • 响应
• 消息的语法(syntax)/格式
  • 字段
  • 描述
• 字段的语义(semantics)
  • 字段信息的含义
• 规则(rules)
  • 何时发送/响应
  • 如何发送/响应

网络应用的需求与传输层服务

对传输服务的需求

数据丢失(data loss)/可靠性(reliability)/可靠数据传输

• 能够容忍一定的数据丢失：网络电话
• 要求100%可靠数据传输：文件传输

时间(timing)/延迟(delay)

• 电话/游戏等应用要求低时延

带宽(bandwidth)

• 要求最低带宽(带宽敏感应用)：网络视频
• 能够适应任意带宽(弹性应用)：文件下载

安全性(security)

• 加解密传输的所有数据
• 数据完整性等
• 如网上银行等

Internet提供的传输服务

TCP服务

• 面向连接：C/S进程间需要建立连接
• 可靠的传输
• 流量控制：发送数据不会过快，超过接收方能力
• 拥塞控制：限制发送方速度
• 不提供
  • 时间/延迟保障
  • 最小带宽保证
• SSL加强的TCP
  • 安全服务
    • 加密
    • 数据完整性
    • 端点鉴别等

UDP服务

• 轻量级运输协议

  • 仅提供最小服务
  • 不提供不必要服务

• 无连接

• 不可靠的数据传输

• 不提供

  • 可靠性
  • 流量控制
  • 拥塞控制
  • 延迟保障
  • 带宽保障

• 提供了极大的自主控制

  • 可以通过定制提供带宽保证？

总结

• 提供：
  • 可靠数据传输
  • 安全性保证(SSL)
• 不提供
  • 带宽保证
  • 时延保证
  • 但能最大化满足用户需求