网络应用体系结构

• 客户即/服务器结构(Client-Server,C/S)

• 点对点结构(Peer-to-Peer, P2P)

• 混合结构(Hybrid)

客户机/服务器结构

服务器

• 7*24小时提供服务
• 永久性访问地址/域名
• 利用大量服务器实现可拓展性

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
• 可能使用动态IP地址
• 不会与其他客户机直接通信

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
• 节点间歇息接入网络
• 节点可能改变IP地址

优点：高度可伸缩

缺点：难于管理

混合结构

混合结构的例子：

Napster

• 文件传输采用P2P结构
• 文件的搜索采用C/S结构 - 集中式
  • 每个节点向中央服务器登记自己的内容
  • 每个节点向中央服务器提交查询请求，查找感兴趣的内容

网络应用进程通信

进程：

• 主机上运行的程序

同一主机运行的进行之间如何通信：

• 进程间通信机制
• 操作系统提供

不同主机运行的进程间如何通信

• 消息交换(报文交换)

客户机进程：发起通信的进程

服务器进行：等待通信请求的进行

套接字Socket

进程间通信利用socket发送/接收消息实现

类似于寄信

• 发送方将消息送到门外邮箱
• 发送方依赖门外的传输设备将消息传到接收方所在主机，并送到接收方的门外
• 接收方从门外获取消息

传输基础设施向进程提供API

• 传输协议的选择
• 参数的设置

如何寻址进程？

不同主机的进程间通信，那么每个进程必须拥有标识符

如何寻址主机？ IP地址

Q: 主机有了IP地址后，是否足以定位进程？

A: 否，同一主机可能同时有多个进程需要通信。

端口号/Port number

• 为主机上每个需要通信的进程分配一个端口号
• HTTP Server: 80
• Mail Server: 25

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

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

应用层协议的内容

消息的类型(type)

• 请求消息
• 响应消息

消息的语法(Syntax)格式

• 消息中有哪些字段(field)?
• 每个字段如何描述

字段的语义(semantics)

• 字段中消息的含义

规则(rules)

• 进程何时发送/响应消息
• 进程如何发送/响应消息

网络应用对传输服务的需求

数据丢失(data loss)/可靠性(reliability)

• 某些网络应用能够容忍一定的数据丢失：网络电话
• 某些网络应用要求100%可靠的数据传输：文件传输，telnet

时间(timing)/延迟(delay)

• 有些应用只有在延迟足够低时才能”有效”
• 网络电话/网络游戏

带宽

• 某些应用只有在带宽达到最低要求时才”有效”：网络视频
• 某些应用能够适应任何带宽 弹性应用：email

Internet提供的传输服务

TCP服务

• 面向连接：客户机/服务器进程间需要建立连接
• 可靠的传输
• 流量控制：发送方不会发送速度过快，超过接收方的处理能力
• 拥塞控制：当网络负载过重时能够限制发送方的发送速度
• 不提供时间/延迟保障
• 不提供最小带宽保障

UDP服务

• 无连接

• 不可靠的数据传输

• 不提供：

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

Web应用

World Wide Web: Tim Berners-Lee

• 网页
• 网页互相链接

网页包含多个对象

• 对象：html文件，jpeg文件，视频文件，动态脚本
• 基本html文件：包含对其他对象引用的链接

对象的寻址(addressing)

• URL(Uniform Resourse Locator): 统一资源定位器

• Scheme://host:port/path

HTTP协议概述

万维网应用遵循什么协议？

超文本传输协议

• HyperText Transfer Protocol

C/S结构

• 客户-Brower: 请求，接收，展示web对象
• 服务器-Web Server： 响应客户的请求，发送对象

HTTP版本：

• 1.0 RFC 1945
• 1.1 RFC 2068

使用TCP传输服务

• 服务器在80端口等待客户的请求
• 浏览器发起到服务器的TCP连接请求(创建套接字Socket)
• 服务器接受来自浏览器的TCP连接
• 浏览器(HTTP客户端)与Web服务器(HTTP服务器)交换HTTP消息
• 关闭TCP连接

无状态(stateless)

• 服务器不维护任何有关客户端过去所请求的信息

HTTP连接的两种类型

非持久化连接(Nonpersistent HTTP)

• 每个TCP连接最多允许传输一个对象
• HTTP1.0版本使用非持久化连接

持久化连接(Persistent HTTP)

• 每个TCP连接允许传输多个对象
• HTTP1.1版本默认使用持久化连接

非持久性连接的问题

• 每个对象需要两个RTT
• 操作系统需要为每个TCP连接开销资源
• 浏览器会怎么做
  • 打开多个并行的TCP连接以获取网页所需对象
  • 给服务器端造成什么影响

持久性连接

• 发送响应后，服务器保持TCP连接的打开
• 后续的HTTP消息可以通过这个连接发送

无流水的持久性连接

• 客户端只有收到前一个响应后才发送新的请求
• 每个被引用的对象耗时1个RTT

带有流水机制的持久性连接

• HTTP1.1的默认选项
• 客户端只要遇到一个引用对象就尽快发出请求
• 理想情况下，收到所有的引用对象只需要耗时一个RTT

HTTP协议消息格式

HTTP协议有两类消息

• 请求消息(request)
• 响应消息(response)

请求消息

• ASCII：人直接可读

HTTP请求消息的通用格式

上传输入的方式

• POST方法
  • 网页经常需要填写表格(form)
  • 在请求消息的消息体(entity body)中上传客户端的输入
• URL方法
  • 使用GET方法
  • 输入信息通过request行的URL字段上传

方法的类型

HTTP/1.0

• GET
• POST
• HEAD
  • 请Server不要将所请求的对象放入响应消息中

HTTP/1.1

• GET,POST,HEAD
• PUT
  • 将消息体中的文件上传到URL字段所指定的路径
• DELETE
  • 删除URL字段所指定的文件

HTTP响应消息

HTTP响应状态代码

• 响应消息的第一行
• 示例
  • 200 OK
  • 301 Moved Permanently
  • 400 Bad Request
  • 404 Not Found
  • 505 HTTP Version Not Supported

Cookie技术

某些网站为了辨别用户身份，进行session跟踪而存储在用户本地终端上的数据(通常是经过加密的)

Cookie的组件

• HTTP响应消息的cookie头部行
• HTTP请求消息的cookie头部行
• 保存在客户端主机上的cookie文件，由浏览器管理
• Web服务器的后台数据库

Cookie的作用

• 身份认证
• 购物车
• 推荐
• Web e-mail
• ……

隐私问题

Web缓存/代理服务器技术

功能

• 在不访问服务器的前提下满足客户端的HTTP请求

为什么发明这种技术？

• 缩短客户请求的响应时间
• 减少机构/组织的流量
• 在大范围内(Internet)实现有效的内容分发

Web缓存/代理服务器

• 用户设定浏览器通过缓存进行Web访问
• 浏览器向缓存/代理服务器发送所有的HTTP请求
  • 如果所请求对象在缓存中，缓存返回对象
  • 否则，缓存服务器向原始服务器发送HTTP请求，获取对象，然后返回给客户端并保存对象
• 缓存即充当客户端，也充当服务器
• 一般由ISP(Internet服务提供商)架设

Email应用

Email应用的构成组件

• 邮件客户端(user agent)
• 邮件服务器
• SMTP协议(Simple Mail Transfer Protocol)

邮件客户端

• 读，写Email信息
• 与服务器交互，收，发Email信息
• Outlook，Foxmail，Thunderbird
• Web客户端

邮件服务器(Mail Server)

• 邮箱：存储发给该用户的Email
• 消息队列(message queue)：存储等待发送的Email

SMTP协议

• 邮箱服务器之间传递消息所使用的协议
• 客户端：发送消息的服务器
• 服务器：接收消息的服务器

SMTP协议

• 使用TCP进行email消息的可靠传输
• 端口25
• 传输过程的三个阶段
  • 握手
  • 消息的传输
  • 关闭
• 命令/响应交互模式
  • 命令(command)：ASCII文本
  • 响应(response)：状态代码和语句
• Email消息只能包含7位ASCII码
• 使用持久性连接
• 要求消息必须由7位ASCII码构成
• SMTP服务器利用CRLF.CRLF确定消息的结束

Email消息格式

文本消息格式标准

• 同步行
  • To
  • From
  • Subject
• 消息体(body)
  • 消息本身
  • 只能是ASCII字符

MIME：多媒体邮件扩展

• 通过在邮件头部增加额外的行以声明MIME的内容类型

邮件访问协议

邮件访问协议：从服务器获取邮件

• POP：Post Office Protocol
  • 认证/授权(客户端<->服务器)和下载
• IMAP：Internet Mail Access Protocol
  • 更多功能
  • 更加复杂
  • 能够操作服务器上存储的消息
• HTTP：163，QQ Mail等

POP协议

认证过程

• 客户端命令
  • User：声明用户名
  • Pass：声明密码
• 服务器响应
  • +OK
  • -ERR

事务阶段

• List：列出消息数量
• Retr：用编号获取消息
• Dele：删除消息
• Quit

“下载并删除”模式

• 用户如果换了客户端软件，无法重读该邮件

“下载并保持”模式

• 不同客户端可以保存消息的拷贝

POP协议是无状态的

IMAP协议

所以消息统一保存在一个地方：服务器

允许用户利用文件夹组织消息

IMAP支持跨会话(Session)的用户状态：

• 文件夹的名字
• 文件夹与消息ID之间的映射等

DNS应用

DNS: Domain Name System

Internet上主机/路由器的识别问题

• IP地址
• 域名：www.hit.edu.cn

域名解析系统DNS

• 多层命名服务器构成的分布式数据库
• 应用层协议：完成名字的解析
  • Internet核心功能，用应用层协议实现
  • 网络边界复杂

DNS服务

• 域名向IP地址的翻译
• 主机别名
• 邮件服务器别名
• 负载均衡：web服务器

DNS根域名服务器

本地域名解析服务无法解析域名时，方位根域名服务器

根域名服务器

• 如果不知道映射，访问权威域名服务器
• 获得映射
• 向本地域名服务器返回映射

TLD和权威域名解析服务器

顶级域名服务器(TLD,top-level domain)：负责com,org,net,edu等顶级域名和国家顶级域名，例如cn,uk,fr等

权威(Authoritative)域名服务器：组织的域名解析服务器，提供组织内部服务器的解析服务

• 组织负责维护
• 服务器提供商负责维护

本地域名解析服务器

不严格属性层级体系

每个ISP有一个本地域名服务器

• 默认域名解析服务器

当主机进行DNS查询时，查询被发送到本地域名服务器

• 作为代理(proxy)，将查询转发给(层级式)域名解析服务器系统

DNS记录

资源记录(RR,resource records)

Type=A

• name：主机域名
• value：IP地址

Type=NS

• name：域(edu.cn)
• value：该域权威域名解析服务器的主机域名

Type=CNAME

• name：某一真实域名的别名
• value：真实域名

Type=MX

• value是与name相对应的邮件服务器

DNS协议与消息格式

DNS协议：

• 查询(query)和回复(reply消息)
• 消息格式相同

消息头部

• Identification: 16位查询编号，回复使用相同的编号
• flags
  • 查询或回复
  • 期望递归
  • 递归可以
  • 权威回答