计算机网络学习笔记8（应用层原理）-优快云博客

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网课是b站中科大郑烇老师，杨坚老师课程，郑烇老师账号发布的
图片均来自郑老师分享的PPT

第二章应用层

2.1应用层原理

网络核心没有应用层软件，网络应用只在端系统上存在，快速网络应用开发和部署

一、网络应用的体系结构

1、应用架构：

客户-服务器模式（C/S:client/server）
对等模式(P2P:Peer To Peer)
混合体：客户-服务器和对等体系结构

2、客户-服务器模式（C/S）体系结构

1)服务器: 一直运行

固定的IP地址
周知的端口号（约定）
扩展性：服务器场
数据中心进行扩展
扩展性差

2)客户端:

主动与服务器通信
与互联网有间歇性的连接
可能是动态IP 地址
不直接与其它客户端通信

3、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
(自扩展性-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
例子: Gnutella，迅雷

4、C/S和P2P体系结构的混合体

(1)例一：Napster

文件搜索：集中
主机在中心服务器上注册其资源
主机向中心服务器查询资源位置
文件传输：P2P （任意Peer节点之间）

(2)例二：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

二、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）
在同一个主机内的；两个应用进程不需要网络
不同主机，通过交换报文（Message）来通信
(1)：使用OS提供的通信服务
(2)：按照应用协议交换报文（借助传输层提供的服务）

客户端进程：发起通信的进程
服务器进程：等待连接的进程

三、分布式进程通信需要解决的问题

问题1：进程如何标示和如何寻址（服务用户）

问题2：传输层是如何向应用层提供服务（服务）

位置：层间界面的SAP （TCP/IP ：socket）
形式：应用程序接口API （TCP/IP ：socket 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即实现应用（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

四、问题1解决办法：对进程进行编址（addressing）

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（因为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 或者 UDP

端口号（Port Numbers）

（一些知名端口号的例子：HTTP: TCP 80、Mail: TCP25 、ftp:TCP 2）

一个进程：用主机 IP+端口号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

五、问题2：传输层提供的服务就是需要穿过层间的信息

1)、层间接口必须要携带的信息

(1)要传输的报文（对于本层来说：SDU）
(2)谁传的：对方的应用进程的标示：IP+TCP(UDP) 端口
(3)传给谁：对方的应用进程的标示：对方的IP+TCP(UDP)端口号

2)、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

(1)源端口号、目标端口号、数据等
(2)将IP地址往下交IP实体，用于封装IP数据报：源IP,目标IP

3)、socket：用个代号标示通信的双方或者单方

套接字（Socket）进程向套接字发送报文或从套接字接收报文（套接字相当于门户）
发送进程将报文推出门户，发送进程依赖于传输层设施在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）

(1)TCP的socket

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）
TCP socket：源IP,源端口，目标IP,目标端口

可以用一个整数表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

(2)UDP的socket

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）
UDP socket：本IP,本地UDP端口

只能用一个整数表示本应用实体的标示
穿过层间接口的信息大小最小

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

4)、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
TCP上的socket的本质就是整数
4元组：(源IP，源port，目标IP，目标port)

(1)套接字socket唯一的指定了一个会话（2个进程之间的会话关系）

(2)作用：应用使用这个标示，与远程的应用进程通信

(3)优点：

不必在每一个报文的发送都要指定这4元组
简单，便于管理

5)、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）

(1)UDP套接字指定了应用所在的一个端节点（end point）

(2)优点：在发送数据报时，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

(3)缺点：但是在发送报文时，必须要指定对方的ip和udp port(另外一个段节点)

六、问题3的解决办法：应用层协议

1、定义

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
包括
(1)交换的报文类型：请求和应答报文
(2)各种报文类型的语法：报文中的各个字段及其描述
(3)字段的语义：即字段取值的含义
(4)进程何时、如何发送报文及对报文进行响应的规则

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

2、分类

公开协议：由RFC文档定义、允许互操作（如HTTP, SMTP）
专用（私有）协议：协议不公开（如：Skype）

七、如何描述传输层的服务

1、衡量指标

数据丢失率
有些应用则要求100%的可靠数据传输（如文件）
有些应用（如音频）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）
延迟差
吞吐
一些应用（如多媒体）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）

2、常见应用对传输服务的要求

在这里插入图片描述

八、Internet 传输层提供的服务

1、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，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：要求在客户端进程和服务器进程之间建立连接

2、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、带宽保证、建立连接

3、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高的应用
因为为了实现可靠性（准确性、保序等），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）