二、应用层

2.1应用层协议原理

2.1.1网络应用程序体系结构

1. 客户-服务器体系结构

• 有一个总是打开的主机成为服务器，服务于其他称为客户的请求。客户之间不直接通信；服务器具有固定的、周知的地址，即IP地址。
• 数据中心：配备这大量主机，用于创建强大的虚拟服务器；

2.P2P体系结构
- 对服务器几乎没有依赖；
- 面临的挑战：ISP 友好，安全性，激励；

2.1.2进程通信

不同端系统上的进程，通过跨越计算机网络交换报文相互通信。

1.客户和服务器进程
发起通信的进程被标记为客户，在会话开始时等待联系的进程是服务器；

2.进程与计算机网络的接口
- 进程通过套接字的软件接口向网络发送报文和从网络接受报文；
- 套接字是同一台主机内应用层与运输层的接口，套接字也叫应用程序编程接口；

3.进程寻址
- 主机的地址
- 定义在目的主机中接收进程的标识符

2.1.3可供应用程序使用的运输服务

在套接字的另一方，运输层协议负责使该报文进入接收进程的套接字。运输层协议不止一种。
1. 可靠数据传输
2. 吞吐量
3. 定时
4. 安全性

2.1.4因特网提供的运输服务

1. TCP服务
   包括面向连接服务和可靠的数据传输服务。
   
   • 面向连接的服务：在应用层数据报文开始流动前，TCP让客户和服务器互相交换运输层的控制信息。在握手阶段，一个TCP连接就在两个连通的套接字简历，双方的进程可以在次连接上同时进行报文的收发。
   • 可靠地数据传输服务：当应用程序的一端讲字节流传进套接字是，他能够依靠TCP将相同的字节流交付给接收方的套接字，没有字节的丢失和冗杂。
   • TCP 安全
2. UDP 服务

仅提供最小服务，UDP是无连接的，两个进程通信前没有握手的过程，提供一种不可靠的数据服务

2.1.5 应用层协议

• 交换的报文类型，例如是请求报文还是响应报文；
• 各种报文；类型的语法。例如报文中的各字段以及这些字段如何描述；
• 一个进程何时以及如何发送报文；
• web的应用层协议是 HTTP，它定义了在浏览器和Web服务器之间传输的报文格式和序列。

2.2 Web 和 HTTp

2.2.1 HTTP的概况

• Web的应用层协议是超文本传输协议，它是 Web 的核心；
• HTTP 有两个程序实现：一个客户程序和一个服务器程序，两个程序分别运行在不同的端系统中，通过交换 HTTP 报文进行会话；
• HTTP 定义了这些报文的结构以及客户和服务器进行报文交换的方式；
• HTTP 定义了 Web 客户向 Web 服务器请求 Web 页面的方式，以及服务器向客户传送 Web 页面的方式；当用户请求一个Web 页面时，浏览器向服务器发出对该页面中所包含对象的 HTTP 请求报文，服务器接收到请求并用包含这些对象的 HTTP 响应报文进行响应；
• HTTP使用 TCP 作为它的支撑运输协议；HTTP 客户首先发起一个与服务器进程的 TCP 连接，一旦连接建立，该浏览器和服务器进程就可以通过套接字接口访问 TCP；
• HTTP 服务器不保存关于客户的任何信息，所以 HTTP 是一个 无状态协议。

2.2.2 非持续连接和持续连接

• 非持续连接：每个 TCP 连接只传输一个报文一个响应对象；总的响应时间就是两个 RTT 加上服务传输文件的时间（响应时间Total=2RTT + 文件发送时间）
• 持续连接：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；必须为每一个请求的对象建立和维护一个全新的连接，给服务器带来的负担太大了

2.2.3 HTTP 报文格式

1. HTTP 请求报文
2. HTTP 响应报文

2.2.4 用户与服务器的交互：cookie

cookie技术的四个组件
1. 在 HTTP 响应报文中的一个 cookie 首部行；
2. 在 HTTP 请求报文中的一个 cookie 首部行；
3. 在用户端系统中保留一个 cookie 文件，并由用户的浏览器进行管理；
4. 位于 Web 站点的一个后端数据库

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cookie 可以用于标识一个用户。用户首次访问一个站点时，需要提供一个用户标识，在后继会话中，浏览器像服务器传递一个 cookie 首部，从而该服务器标识了用户。cookie 可以在无状态的 HTTP 之上建立一个用户会话层。

2.2.5 Web 缓存

Web 缓存 也叫代理服务器，代表初始 Web 服务器来满足 HTTP 请求的网络实体。
Web 缓存器有自己的磁盘存储空间，并在存储空间中保存最近请求过的对象的副本。
- 浏览器建立一个到 Web 缓存器的 TCP 连接，并向 Web 缓存器的对象发一条 HTTP 请求
- Web 缓存器 进行检查，看本地是否存储了该对象的副本，如果有，Web 缓存器就像客户浏览器用 HTTP 响应报文 返回该对象；
- 如果 Web 缓存器没有该对象时，它就打开一个与该对象的初始服务器的 TCP 连接。
- 当 Web 缓存器接收到该对象时，它在本地存储空间就存储一份副本，并向客户的浏览器用 HTTP 响应报文发送改副本。

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• Web 缓存器是服务器也是客户；
• Web 缓存器能够大大减少一个机构的接入链路到因特网的通信量。

2.2.6 条件 GET 方法

HTTP 协议的一种机制，允许缓存器证实他的对象时最新的；用条件 Get 执行最新的检查
- 请求报文使用 GET 方法，并且请求报文中包含一个 “If-Modified-Since”首部行；
- 缓存器在将对象转发到请求的浏览器的同时，也在本地缓存了该对象，同时存储了最后修改日期；缓存器在存储该对象时也存储了最后的修改日期。
- 状态行 304 Not Modified，告诉服务器可以使用对象，能向请求的浏览器转发它缓存的该对象副本；

2.3 文件传输协议：FTP

2.4 Email的应用

Email的应用的构成组件
- 邮件客户端（读写Email消息，与服务器交互，收发消息）
- 邮件服务器（邮箱：存储发给该用户的Email；消息队列：存储等待发送的Email）
- SMTP 协议

2.4.1 SMTP

• 使用TCP进行email消息的可靠传输
• 端口是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：命令是ASCII文本；响应是状态代码和语句；
• Email消息只能包含7位ASCII码
• HTTP 每个对象封装在独立的响应消息中
• SMTP是多个对象在由多个部分构成的消息中发送

2.4.2Email消息格式

SMTP：email消息的传输交换协议。

RFC 822文本消息格式标准

• 头部行header（TO From Subject）
• 消息体body（消息本身 只能是ASCII字符）

MIME：多媒体扩展 RFC 2045,2056
- 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
- POP：认证/授权和下载；
1. 认证过程
- 客户端命令：user，password
- 服务器响应：ok或者是err
2. 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
3. 下载并删除模式（无法重读该邮件）
4. 下载并保存模式（可以保留消息的拷贝）
5. POP3是无状态协议

• IMAP：更复杂和功能更多，能够操纵服务器上存储的消息；
  
  1. 所有消息统一保存在一个地方：服务器
  2. 允许用户利用文件夹组织消息
  3. 支持跨会话的用户状态：文件夹的名字；文件夹与消息ID之间的映射；
• HTTP：

2.5 DNS应用

域名系统服务器DNS：
- 一个由分层的DNS服务器实现的分布式数据库；
- 一个使得主机能够查询分布式数据库的应用层协议；
- DNS服务器通常是运行在BIND软件的UNIX机器，DNS协议运行在UDP之上，使用53端口
- DNS协议是应用层协议，将用户的主机名解析层IP地址

2.5.1 DNS 工作机理

如果只使用一个DNS服务器

• 单点故障；
• 通信容量；
• 远距离的集中式数据库；
• 维护

分布式层次数据库
- 根DNS服务器
- 顶级域（DNS）服务器
- 权威DNS服务器

本地DNS服务器： 每个ISP都有一台本地DNS服务器，起着代理作用，转发到DNS服务器层次结构中；

DNS地查询方式： 有递归查询和迭代查询。可以所有的查询凑采用递归查询，但是大部分是采用从请求主机到本地DNS服务器是用递归查询，其余查询是用迭代查询

DNS的缓存： 为了改善时延性能并减少在因特网到处传输DNS报文数量，DNS广泛采用缓存技术，DNS服务器在一段时间后会丢弃缓存的信息。

2.5.2 DNS记录和消息格式

DNS记录： 资源记录提供了主机名到IP地址的映射（Name，Value，Type，TTL）

DNS报文： DNS查询和回答报文，有着相同的格式

2.6 P2P应用

2.6.1 P2P文件分发

1. 在P2P文件分发过程中，每个对等方能够重新分发它所有的该文件的任何部分，从而在分发过程中协助该服务器，P2P文件共享协议是 BitTorrent。
2. BitTorrent
   
   • 参与一个文件分发的所有对等方的集合称为洪流。在洪流的对等方彼此下载等长度的文件快，当一个新的对等方首次加入时，它是没块的，但是随着时间的流逝，它累积越来越多的块，一旦它获得一个的完整的文件，它可以选择继续留在洪流中并继续向其他对等方上载块，也可以选择离开。同时，任何对等方可能在任何时候仅具有块的子集就离开洪流，并在以后重新加入洪流。
   • 稀缺优先优先向附近的对等方请求那些最稀缺的块，使最稀缺的块得到更为迅速的重新分发，均衡每个快在洪流的副本数量。