【计算机网络】第2章：应用层—应用层协议原理

目录

1. 网络应用的体系结构

2. 客户-服务器（C/S）体系结构

3. 对等体（P2P）体系结构

4. C/S 和 P2P 体系结构的混合体

Napster

即时通信

5. 进程通信

6. 分布式进程通信需要解决的问题

7. 问题1：对进程进行编址（addressing）

8. 问题2：传输层提供的服务

需穿过层间的信息（层间接口）

层面信息代表（Socket）

9. TCP 套接字（Socket）详解

10. TCP socket

11. 问题2：传输层提供的服务-层间信息代码

UDP Socket

12. UDP之上的套接字（Socket）

13. UDP socket

14. 套接字（Socket）

15. 问题 3：如何使用传输层提供的服务实现应用

16. 应用层协议

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1. 网络应用的体系结构

可能的应用架构：

• 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

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2. 客户-服务器（C/S）体系结构

服务器：

• 一直运行
• 固定的 IP 地址和周知的端口号（约定）
• 扩展性：服务器场
  • 数据中心进行扩展
  • 扩展性差

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

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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，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

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4. C/S 和 P2P 体系结构的混合体

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 节点之间传输文件

即时通信

• 在线检测：集中
  • 用户上线时向中心服务器注册 IP 地址
  • 用户联系中心服务器查找在线好友位置
• 用户间聊天：P2P
  • 两个用户直接通信

5. 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）
• 不同主机：通过交换报文（Message）来通信
• 使用 OS 提供的通信服务
• 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

注意：P2P 架构的应用也有客户端进程和服务器进程之分

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6. 分布式进程通信需要解决的问题

1. 进程标示和寻址问题（服务用户）
2. 传输层-应用层提供服务方式（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）
3. 如何使用传输层服务实现应用（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 API 调用网络设施传报文

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7. 问题1：对进程进行编址（addressing）

• 进程接收报文必须标识 SAP（发送同理）
• 主机：唯一 32 位 IP 地址（但不足以唯一标识进程）
• 需额外标识：
  • 传输层协议：TCP/UDP
  • 端口号（Port Numbers）
• 知名端口号示例：
  • HTTP: TCP 80
  • Mail: TCP 25
  • FTP: TCP 21（注：原图标注为 TCP 2，实际应为 21）
• 进程唯一标识：IP地址 + 端口号（端节点）
• 本质：主机间通信由 2 个端节点构成

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8. 问题2：传输层提供的服务

需穿过层间的信息（层间接口）

• 要传输的报文（本层 SDU）
• 对方应用进程标识：
  • 目标 IP + TCP/UDP 端口号
• 传输层实体（TCP/UDP）据此封装：
  • TCP 段/UDP 数据报（含源/目标端口号）
  • 将 IP 地址交 IP 实体封装数据报（源/目标 IP）

层面信息代表（Socket）

• Socket 作用：
  • 避免每次携带完整 4 元组信息（繁琐易错）
  • 用户通过代号（socket）标识通信方
  • 类似 OS 文件句柄：操作句柄=操作文件
• TCP Socket 特性：
  • 需预先建立连接（会话关系稳定）
  • 用整数本地标示通信关系
  • 层间接口携带信息量最小
  • 本质代表 4 元组：(源IP, 源端口, 目标IP, 目标端口)

9. TCP 套接字（Socket）详解

• 定义：面向连接服务（TCP）的本地意义标示
• 4 元组：(源IP, 源端口, 目标IP, 目标端口)
• 核心特性：
  • 唯一指定一个会话（两进程间）
  • 应用通过此标示与远程程序通信
  • 无需每次发送报文指定完整 4 元组
• 优势：
  • 类似 OS 文件句柄（替代目录名/文件名）
  • 简单高效，便于管理

10. TCP socket

11. 问题2：传输层提供的服务-层间信息代码

UDP Socket

• UDP服务特性：
  • 无需预先建立连接
  • 每个报文独立传输
  • 前后报文可能发送至不同分布式进程
• 本地标识：
  • 仅需一个整数表示本应用实体
  • 原因：报文可能传输至不同进程（无固定通信关系）
• 层间接口信息：
  • 最小化信息量
  • UDP Socket内容：本机IP + 本机端口
• 传输要求：
  • 发送报文时必须提供目标IP及端口
  • 接收报文时，传输层需上传发送方的IP及端口

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12. UDP之上的套接字（Socket）

• 无连接服务（UDP）的Socket定义：
  • 本地意义的2元组标识：(本机IP, 本机端口)
    • 指定应用所在的端节点（end point）
• 发送数据时的优势：
  • 使用预创建的本地Socket（标识ID），避免每次发送都重复指明本机IP和端口
• 关键限制：
  • 发送报文时必须显式指定目标IP和UDP端口（另一端点）

13. UDP socket

14. 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 <-> 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）

15. 问题 3：如何使用传输层提供的服务实现应用

• 定义应用层协议：报文格式，解释，时序等
• 编制程序，通过 API 调用网络基础设施提供通信服务传报文，解析报文，实现应用时序等

16. 应用层协议

• 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
  • 交换的报文类型：请求和应答报文
  • 各种报文类型的语法：报文中的各个字段及其描述
  • 字段的语义：即字段取值的含义
  • 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

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