chapter2應(yīng)用層.ppt

2 ApplicationLayer 1 第2章應(yīng)用層 2 1應(yīng)用層協(xié)議原理2 2Web應(yīng)用和HTTP協(xié)議2 3文件傳輸 FTP2 4Internet中的電子郵件2 5DNS2 6P2P文件共享2 7基于TCP的Socket程序設(shè)計(jì)2 8基于UDP的Socket程序設(shè)計(jì)2 9構(gòu)建一個簡單的Web服務(wù)器 2 ApplicationLayer 2 第2章應(yīng)用層 電子郵件Web即時(shí)通信遠(yuǎn)程登錄P2P文件共享多用戶網(wǎng)絡(luò)游戲流式存儲的音頻和視頻 網(wǎng)絡(luò)電話實(shí)時(shí)視頻會議大規(guī)模并行計(jì)算 2 ApplicationLayer 3 構(gòu)造一個網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 寫一個程序在不同的終端系統(tǒng)上運(yùn)行可以在網(wǎng)絡(luò)上通信如 Web服務(wù)器軟件 瀏覽器軟件很少給網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備寫軟件網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備上不運(yùn)行用戶應(yīng)用代碼 2 ApplicationLayer 4 2 1應(yīng)用層協(xié)議原理 2 1 1網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序體系結(jié)構(gòu)2 1 2進(jìn)程通信2 1 3應(yīng)用層協(xié)議2 1 4應(yīng)用需要什么樣的服務(wù) 2 1 5由傳輸層提供的服務(wù) 2 ApplicationLayer 5 2 1 1應(yīng)用程序體系結(jié)構(gòu) 客戶端 服務(wù)器結(jié)構(gòu)Client server對等結(jié)構(gòu)Peer to peer P2P 客戶端 服務(wù)器和對等結(jié)構(gòu)的混合模型 2 ApplicationLayer 6 2 1 1應(yīng)用體系結(jié)構(gòu) Client server server 總是在線的主機(jī)永久性IP地址提供所請求的服務(wù)clients 和服務(wù)器通信可能是動態(tài)IP地址彼此間不直接通信請求服務(wù) 2 ApplicationLayer 7 2 1 1應(yīng)用體系結(jié)構(gòu) 純P2P 沒有永遠(yuǎn)在線的服務(wù)器任意終端直接通信對等端可能用不同的IP地址間歇性連接到網(wǎng)絡(luò)上example Gnutella規(guī)模很大但難于管理 PureP2P 2 ApplicationLayer 8 2 1 1應(yīng)用體系結(jié)構(gòu) C S和P2P的混合 即時(shí)通信在兩個用戶之間進(jìn)行通信的系統(tǒng)分布使用 集中管理 用戶上線時(shí)向中心服務(wù)器注冊他的IP地址用戶聯(lián)系中央服務(wù)器來獲取好友的IP 2 ApplicationLayer 9 2 1 2進(jìn)程通信 進(jìn)程 process 運(yùn)行在主機(jī)上的程序在同一臺主機(jī)上 兩進(jìn)程使用OS支持的進(jìn)程間通信方式通信不同主機(jī)上的進(jìn)程之間通過交換消息進(jìn)行通信 客戶端進(jìn)程 發(fā)起通信的進(jìn)程服務(wù)器進(jìn)程 等待被連接的進(jìn)程 注意 P2P結(jié)構(gòu)的應(yīng)用程序同時(shí)有客戶端進(jìn)程和服務(wù)器進(jìn)程 2 ApplicationLayer 10 2 1 2進(jìn)程通信 Socket 進(jìn)程通過Socket發(fā)送 接受消息socket是一扇 門 位于 應(yīng)用層和傳輸層之間程序設(shè)計(jì)者和OS之間 Internet 由OS控制 程序設(shè)計(jì)者操作 2 ApplicationLayer 11 2 1 2進(jìn)程通信 Socket 每個socket都有一個標(biāo)示 port 端口號 主機(jī)通過不同的socket 端口號提供不同的應(yīng)用服務(wù) 2 ApplicationLayer 12 2 1 2進(jìn)程通信 尋址 標(biāo)示包括IP地址和端口號 port 二者共同和主機(jī)上的進(jìn)程相關(guān)聯(lián)IP地址 32bit 標(biāo)示主機(jī)port 16bit 標(biāo)示進(jìn)程 應(yīng)用程序 向web服務(wù)器發(fā)送HTTP消息 IP 202 200 142 46Port 80向服務(wù)器發(fā)送e mail IP 202 200 142 46Port 25向web服務(wù)器發(fā)送HTTP消息 IP 202 43 216 251Port 80 2 ApplicationLayer 13 2 1 3應(yīng)用層協(xié)議 區(qū)別 應(yīng)用 和 應(yīng)用層協(xié)議 應(yīng)用 可通信的 分布式的進(jìn)程在網(wǎng)絡(luò)上的用戶空間上運(yùn)行Web 瀏覽器 服務(wù)器軟件 HTTPEmail 用戶代理 郵件服務(wù)器 SMTP應(yīng)用層協(xié)議 是一個應(yīng)用的一部分規(guī)定了消息的類型 請求 響應(yīng) 定義了消息的語法 格式制定了發(fā)送 接收消息的規(guī)則 2 ApplicationLayer 14 2 1 3應(yīng)用層協(xié)議 應(yīng)用電子郵件遠(yuǎn)程終端登陸Web文件傳輸流式多媒體遠(yuǎn)程文件服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)電話 應(yīng)用層協(xié)議smtptelnethttpftpproprietary e g RealNetworks NSFproprietary e g Vocaltec 底層傳輸協(xié)議TCPTCPTCPTCPTCPorUDPTCPorUDPtypicallyUDP 2 ApplicationLayer 15 2 1 4應(yīng)用需要什么樣的服務(wù) Dataloss 差錯 需要100 可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用 e mail ftp可以容忍一些數(shù)據(jù)丟失的應(yīng)用 音頻 多媒體 loss tolerant 容許錯誤 Bandwidth 帶寬 帶寬敏感的應(yīng)用 多媒體帶寬彈性較大的應(yīng)用 web e mail 可以充分利用其所能得到的大或小的帶寬 差錯 帶寬 實(shí)時(shí)性 2 ApplicationLayer 16 2 1 4Whatservicedoesanappneed 實(shí)時(shí)性時(shí)間敏感 網(wǎng)絡(luò)電話 實(shí)時(shí)應(yīng)用 容許延遲 web e mail 2 ApplicationLayer 17 2 1 5傳輸層提供的服務(wù) FTP HTTP SMTP DNS 2 ApplicationLayer 18 2 1 5傳輸層提供的服務(wù) TCP服務(wù) 面向連接 在client和server之間建立連接可靠傳輸 在發(fā)送和接收進(jìn)程之間進(jìn)行可靠傳輸流量控制 避免發(fā)送方淹沒接收方擁塞控制 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)過載時(shí)遏制發(fā)送方不提供的服務(wù) 時(shí)間和最小帶寬保證 UDP服務(wù) 在發(fā)送進(jìn)程和接收進(jìn)程間提供不可靠的傳輸不提供的服務(wù) 建立連接 可靠保證 流量控制 擁塞控制 時(shí)間和帶寬保證 2 ApplicationLayer 19 2 1 3應(yīng)用層協(xié)議 應(yīng)用電子郵件遠(yuǎn)程終端登陸Web文件傳輸流式多媒體遠(yuǎn)程文件服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)電話 應(yīng)用層協(xié)議smtptelnethttpftpproprietary e g RealNetworks NSFproprietary e g Vocaltec 底層傳輸協(xié)議TCPTCPTCPTCPTCPorUDPTCPorUDPtypicallyUDP 2 ApplicationLayer 20 2 2WWW WorldWideWeb 2 2 1HTTP概述2 2 2非持續(xù)性和持續(xù)性連接2 2 3HTTP報(bào)文格式2 2 4用戶和服務(wù)器的交互 Cookies2 2 5HTTP內(nèi)容2 2 6Web緩存 2 ApplicationLayer 21 2 2 1Web和HTTP Web網(wǎng)頁包括若干對象對象的類型可以是HTML文檔 JPEG圖片 Java小應(yīng)用程序 音頻文件 每個對象的地址通過URL表示例如 瀏覽器 Web的用戶代理MSInternetExplorer提供Web服務(wù)的服務(wù)器稱為Webserver Apache MSInternetInformationServer IIS 2 ApplicationLayer 22 2 2 1Web http協(xié)議 http hypertexttransferprotocol超文本傳輸協(xié)議Web的應(yīng)用層協(xié)議定義消息格式 怎樣發(fā)送數(shù)據(jù)client server模式TCP port80無狀態(tài)協(xié)議http1 0 非持續(xù)連接 http1 1 持續(xù)連接 2 ApplicationLayer 23 http例 假定用戶鍵入U(xiǎn)RL 1a 通過80端口向服務(wù)器發(fā)起連接 4 關(guān)閉TCP連接 2 ApplicationLayer 24 2 2 2HTTP連接 非持續(xù)性HTTP一個TCP連接最多傳送一個對象在HTTP 1 0中使用 持續(xù)性HTTP在一個TCP連接中可以傳送多個對象在HTTP 1 1中使用 2 ApplicationLayer 25 2 2 3http報(bào)文格式 請求 http報(bào)文有兩種類型 請求 響應(yīng)http請求報(bào)文 ASCII 人類可以閱讀的格式 GET somedir page htmlHTTP 1 0User agent IE 5 0Accept text html image gif image jpegAccept language fr extracarriagereturn linefeed 2 ApplicationLayer 26 2 2 3http報(bào)文格式 請求 GET somedir page htmlHTTP 1 0User agent Mozilla 4 0Accept text html image gif image jpegAccept language fr 2 ApplicationLayer 27 2 2 3http報(bào)文格式 響應(yīng) HTTP 1 0200OKDate Thu 06Aug199812 00 15GMTServer Apache 1 3 0 Unix Last Modified Mon 22Jun1998 Content Length 6821Content Type text htmldatadatadatadatadata 2 ApplicationLayer 28 2 2 3http報(bào)文格式 響應(yīng) HTTP 1 0200OKDate Thu 06Aug199812 00 15GMTLast Modified Mon 22Jun1998 Content Length 6821Content Type text htmldatadatadatadatadata 2 ApplicationLayer 29 2 2 3http報(bào)文格式 響應(yīng) 200OK請求成功 所請求的對象在后續(xù)的報(bào)文中301MovedPermanently請求的對象位置移動了 新位置在后續(xù)報(bào)文中400BadRequest服務(wù)器無法讀取請求報(bào)文404NotFound本服務(wù)器上沒有所請求的文檔505HTTPVersionNotSupportedHTTP版本不支持 server client的響應(yīng)報(bào)文的第一行中的部分代碼 2 ApplicationLayer 30 自己嘗試一個HTTP 作為客戶端 1 Telnet一個你喜歡的Webserver OpensTCPconnectiontoport80 defaultHTTPserverport atcis poly edu Anythingtypedinsenttoport80atcis poly edu telnetcis poly edu80 2 TypeinaGETHTTPrequest GET ross HTTP 1 1Host cis poly edu Bytypingthisin hitcarriagereturntwice yousendthisminimal butcomplete GETrequesttoHTTPserver 3 LookatresponsemessagesentbyHTTPserver 2 ApplicationLayer 31 2 2 3httpmessageformat respone 2 ApplicationLayer 32 2 2 3httpmessageformat respone 2 ApplicationLayer 33 80GET index htmlHTTP 1 0 2 ApplicationLayer 34 2 2 4用戶 服務(wù)器交互 cookies cookies可以 用戶身份認(rèn)證用戶會話狀態(tài) Webe mail cookies能讓站點(diǎn)了解 你 怎樣維護(hù) 狀態(tài) cookies 由http報(bào)文攜帶信息cookie文件存放在用戶主機(jī)上 由用戶的瀏覽器管理服務(wù)器端有后臺數(shù)據(jù)庫 2 ApplicationLayer 35 2 2 4用戶 服務(wù)器交互 cookies server為該用戶創(chuàng)建ID1678 在后臺數(shù)據(jù)庫登記 訪問 訪問 一周后 2 ApplicationLayer 36 2 2 6Web高速緩存 代理服務(wù)器 用戶設(shè)置瀏覽器 通過webcache訪問網(wǎng)頁客戶端將所有http請求發(fā)送給webcache如果所請求的對象在webcache上 則webcache在http響應(yīng)報(bào)文中立刻返回該對象 否則 向原始服務(wù)器請求該對象 并向客戶端返回對象 代理服務(wù)器 2 ApplicationLayer 37 2 2 6WebCaching的優(yōu)點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 響應(yīng)時(shí)間短 減少通信量 例 1 每個請求對象100kb 2 15個 秒請求 3 時(shí)間延遲 2秒 路由器B發(fā)送一個請求到接收到響應(yīng) LAN通信量 15req s 100kb req 10Mb s 0 15接入網(wǎng)通信量 15req s 100kb req 1 5Mbps 1若在proxyserver命中40 則1 0 6 2 ApplicationLayer 38 2 3ftp 文件傳輸協(xié)議 向遠(yuǎn)程主機(jī)發(fā)送 接收文件client servermodelclient 發(fā)起傳輸server 遠(yuǎn)程主機(jī)ftpserver port21 20 2 ApplicationLayer 39 ftp 控制和數(shù)據(jù)連接分離 outofbandcontrol 帶外控制開啟兩個平行的TCP連接 控制 port21 在客戶端和服務(wù)器之間交換命令和響應(yīng)數(shù)據(jù) port20 向服務(wù)器發(fā)送 接收文件的數(shù)據(jù)ftpserver維護(hù)狀態(tài)信息 當(dāng)前目錄 從前的用戶記錄等 2 ApplicationLayer 40 2 4電子郵件 2 4 1SMTP2 4 2SMTP和http的比較2 4 3郵件消息格式和MIME2 4 4郵件接收協(xié)議 POP3 IMAP 2 ApplicationLayer 41 2 4電子郵件 三個主要組成部分 1 用戶代理2 郵件服務(wù)器3 簡單郵件傳輸協(xié)議 smtp 1 用戶代理提供菜單圖形方式與電子郵件系統(tǒng)交互 讀取 顯示 發(fā)送郵件例 Outlook 2 ApplicationLayer 42 2 4電子郵件 郵件服務(wù)器 2 郵件服務(wù)器將消息從出發(fā)地傳到目的地 是后臺運(yùn)行的系統(tǒng)程序 在系統(tǒng)間傳輸郵件郵箱 存放收到的郵件消息隊(duì)列 存放要發(fā)送的郵件smtp協(xié)議 用于郵件服務(wù)器間發(fā)送郵件 client 發(fā)送郵件的服務(wù)器 server 接收郵件的服務(wù)器 2 ApplicationLayer 43 2 4 1電子郵件 smtp 基于TCP協(xié)議 port25 客戶端到服務(wù)器的可靠傳輸直接發(fā)送 由發(fā)送服務(wù)器到接收服務(wù)器直接傳送 不經(jīng)過第3個服務(wù)器 3階段傳送 握手傳送消息關(guān)閉連接使用命令 響應(yīng)交互方式命令 ASCIItext響應(yīng) 狀態(tài)碼及簡短說明報(bào)文要用7 bitASCII編碼 2 ApplicationLayer 44 場景 Alice給Bob發(fā)送郵件 1 Alice使用用戶代理編輯郵件 并發(fā)送到bob someschool edu2 Alice的用戶代理將郵件發(fā)送到她的郵件服務(wù)器 郵件存放到郵件隊(duì)列中3 SMTP中的客戶端的郵件服務(wù)器發(fā)起到Bob s郵件服務(wù)器的連接 4 SMTP客戶端使用TCP協(xié)議發(fā)送Alice的郵件5 Bob的郵件服務(wù)器將收到的郵件放進(jìn)Bob的郵箱6 Bob使用用戶代理閱讀郵件 1 2 3 4 5 6 2 ApplicationLayer 45 2 4 2smtp和http的比較 http pull 拉 數(shù)據(jù)流 email push 推 數(shù)據(jù)流 Smtp和http都使用ASCII碼和狀態(tài)代碼進(jìn)行交互http 每個對象都封裝在不同的響應(yīng)報(bào)文中smtp 將所有對象封裝在一個報(bào)文中 SMTP使用持續(xù)性連接 2 ApplicationLayer 46 2 4 3郵件消息格式 SMTP 1 SMTP SimpleMailTransferProtocol 簡單郵件傳輸協(xié)議消息格式 頭部行 例如To From Subject 內(nèi)容郵件內(nèi)容 只能用ASCII碼 2 ApplicationLayer 47 2 4 3郵件消息格式 MIME 2 MIME MultipurposeInternetMailExtensionprotocol多用途因特網(wǎng)郵件擴(kuò)展協(xié)議在報(bào)文頭部有一行聲明MIME類型 圖像等要先轉(zhuǎn)化為ASCII碼才能發(fā)送 TextImageAudioVideoApplication 2 ApplicationLayer 48 多類型郵件 From alice crepes frTo bob hamburger eduSubject Pictureofyummycrepe MIME Version 1 0Content Type multipart mixed boundary 98766789 98766789Content Transfer Encoding quoted printableContent Type text plainDearBob Pleasefindapictureofacrepe 98766789Content Transfer Encoding base64Content Type image jpegbase64encodeddata base64encodeddata 98766789 2 ApplicationLayer 49 2 4 4郵件訪問協(xié)議 郵件訪問協(xié)議 從server獲取郵件pullPOP PostOfficeProtocol 郵局協(xié)議 身份認(rèn)證 用戶代理服務(wù)器 下載eg sinaIMAP InternetMailAccessProtocol 因特網(wǎng)郵件訪問協(xié)議 性能更好 更復(fù)雜 可以處理在服務(wù)器上存儲的郵件HTTP Hotmail Yahoo Mail etc receiver smailserver Mail送到接收郵件服務(wù)器上 讀取郵件有2種方式 1 登錄到server上 打開mailbox直接閱讀 2 通過郵件接收器 Outlook 將server上的mail 移至 本地PC上 pop3 2 ApplicationLayer 50 Mailapplication 2 ApplicationLayer 51 Mailapplication 2 ApplicationLayer 52 Mailapplication 2 ApplicationLayer 53 Mailapplication 2 ApplicationLayer 54 Mailapplication 2 ApplicationLayer 55 2 5DNS DomainNameSystem 2 5 1DNS提供的服務(wù)2 5 2DNS基本工作原理集中式設(shè)計(jì)層級分布式DNS 兩種請求方式回顧 client serverhttp示例 2 ApplicationLayer 56 2 5DNS DomainNameSystem Domain 域是按某種規(guī)則的一些劃分 每個域可劃分為子域 形成二級域 三級域 表示為 三級域名 二級域名 頂級域名樹型結(jié)構(gòu) 2 ApplicationLayer 57 2 5 1DNS提供的服務(wù) DomainNameSystem IP地址和域名的映射在由名稱服務(wù)器構(gòu)成的層次結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)的分布式數(shù)據(jù)庫應(yīng)用層協(xié)議 2 ApplicationLayer 58 DNSserver ipconfig all 2 ApplicationLayer 59 DNSserver ipconfig all 2 ApplicationLayer 60 Nslookup 2 ApplicationLayer 61 2 5 2DNS基本工作原理 集中式設(shè)計(jì)一個域名服務(wù)器包含所有的映射問題 單點(diǎn)故障 一點(diǎn)壞 全網(wǎng)壞通信容量 巨大的訪問量遠(yuǎn)距離的集中式數(shù)據(jù)庫 遠(yuǎn)距離訪問延遲大維護(hù) 頻繁更新 身份認(rèn)證 授權(quán)等 不可能有一臺服務(wù)器包含網(wǎng)路上所有的域名到IP的映射 2 ApplicationLayer 62 2 5 2DNS基本工作原理 2 層級分布式根rootnameservers 與頂級域名服務(wù)器或本地域名服務(wù)器相通 響應(yīng)其請求頂級域名 TLD top leveldomainnameservers 與localnameserver相通 響應(yīng)其請求權(quán)威authoritativenameserver root中找不到時(shí) root提供一個權(quán)威服務(wù)器 可能是專用的 也可能是一個localnameserver本地localnameservers 直接和用戶PC相通的server每個ISP 公司都有l(wèi)ocal default nameserver主機(jī)的DNS請求首先發(fā)給localnameserver好像一個代理 在層級中轉(zhuǎn)發(fā)DNS請求 兩種請求方法 1 遞歸查詢2 迭代查詢 2 ApplicationLayer 63 2 5 2DNS基本工作原理 1 遞歸查詢 2 迭代查詢 2 ApplicationLayer 64 2 5 3DNS報(bào)文 請求和響應(yīng)報(bào)文具有相同的報(bào)文格式 2 ApplicationLayer WhathappenedwhenyouclickaURL 1 browserasksDNSforIPaddr oftheURL 2 DNSreplieswithIPaddress 3 browsermakesaTCPconnectiontoIPaddr 4 browsersendsaGETcommand DomainNameserver Client Server 5 TheURLserversendsthefileindex html 6 TCPconnectionisreleased 7 display 2 ApplicationLayer 66 2 6P2Pfilesharing Server Client所有用戶和一個服務(wù)器通信peer to peer用戶之間共享資源 直接通信存在問題 如何確定哪個計(jì)算機(jī)上有自己所需要的資源 集中式目錄 Napster QQ洪泛式查詢 Gnutella利用不均勻性 KaZaA 2 ApplicationLayer 67 2 6P2P 1 集中式目錄 Napster 的設(shè)計(jì)方案1 當(dāng)對等機(jī)連網(wǎng)時(shí) 告知中央服務(wù)器 IP地址共享資源內(nèi)容中央服務(wù)器為共享資源建立一個數(shù)據(jù)庫 并維護(hù) 用戶通過中央服務(wù)器了解享有資源的對等機(jī)地址 直接聯(lián)系對等機(jī)傳送文件 文件傳輸是非集中的 但是內(nèi)容定位過程是高度集中的 2 ApplicationLayer 68 2 6P2P 1 集中式目錄 存在問題單點(diǎn)故障性能瓶頸版權(quán)問題 2 ApplicationLayer 69 2 6P2P 2 洪泛式查詢 Gnutella Filetransfer HTTP 完全分布式定位內(nèi)容沒有中央服務(wù)器通過已有的TCP連接發(fā)送請求報(bào)文對等機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)請求報(bào)文 洪泛式轉(zhuǎn)發(fā) 2 ApplicationLayer 70 2 6P2P 2 洪泛式查詢 Gnutella 覆蓋網(wǎng) 圖如果對等端X和Y之間有TCP連接 則認(rèn)為X和Y之間有一條邊所有活動的對等端和邊構(gòu)成覆蓋網(wǎng) 邊 并不是實(shí)際的物理線路對給定的對等端 通常在覆蓋網(wǎng)上的鄰居節(jié)點(diǎn) 10個 2 ApplicationLayer 71 Gnutella 對等端的加入 要加入的對等端X必須首先發(fā)現(xiàn)覆蓋網(wǎng)中的其他一些對等端 使用一張候選對等端列表X順次嘗試和列表中