二、应用层，《计算机网络（自顶向下方法 第7版，James F.Kurose，Keith W.Ross）》

零、前言

网络应用是计算机网络存在的理由。

如果我们不能构想出任何有用的应用， 也就没有必要去设计支持它们的网络协议了。

目标:

• 网络应用的原理：网络应用协议的概念和实现方面
  • 传输层的服务模型
  • 客户-服务器模式
  • 对等模式（peer-to-peer）
  • 内容分发网络
• 网络应用的实例：互联网流行的应用层协议
  • HTTP
  • FTP
  • SMTP / POP3 / IMAP / DNS
• 编程：网络应用协议
  • socket API

创建一个新的网络应用

• 编程

  • 在不同的端系统上运行
  • 通过网络基础设施提供的服务，应用进程彼此通信
  • 如Web：
    • Web 服务器软件与浏览器软件通信

• 网络核心中没有应用层软件

  • 网络核心中没有应用层功能
  • 网络应用只在端系统上存在，快速网络应用开发和部署

---

一、应用层协议原理

1.1 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：

1.1.1 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

1.1.2 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，当然也带来了新的服务请求
• 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

1.1.3 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

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

1.2 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

对于每对通信进程：

一个标识为 客户端进程：发起通信的进程

另一个为 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

分布式应用进程需要解决的问题

• 问题1：进程标示和寻址问题**（服务用户）**
• 问题2：传输层-应用层提供服务是如何**（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，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；

1.2.1 问题1：对进程进行编址（addressing）（服务用户）

• 进程为了接收报文，必须有一个标识

  即：SAP（发送也需要标示）

  • 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：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 or UDP
  • 端口号(Port Numbers)

• 一些知名端口号例子：

  • HTTP: TCP 80 Mail：TCP25 ftp：TCP2

• 一个进程：用IP + Port 标示 端节点

• 本质上，一个主机进程之间的通信由2个端节点构成

1.2.2 问题2：传输层提供的服务

1.2.2.1 需要穿过层间的信息

• 层间接口必须要携带的信息
  • 要传输的报文（对于本层来说：SDU）
  • 谁传的：对方的应用进程的标示：IP + TCP(UDP) 端口
  • 传给谁：对方的应用进程的标示：对方的 IP + TCP(IDP) 端口
• 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
  • 源端口号，目标端口号，数据等
  • 将 IP 地址往下交 IP 实体，用于封装 IP 数据报：源 IP，目标 IP

1.2.2.2 层间信息的代表

• 如果 Socket API 每次传输报文，都携带如此多的信息，太繁琐易错，不便于管理
• 用个代号标示通信的双方或者单方：socket
• 就像OS打开文件返回的句柄一样
  • 对句柄的操作，就是对文件的操作
• 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
  • 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
  • TCP socket：源IP，源端口，目标IP，目标端口

1.2.2.3 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识。

• 4元组：（源IP，源port，目标IP，目标port）
• 唯一的指定了一个会话（2个进程之间的会话关系）
• 应用使用这个标示，与远程的应用进程通信
• 不必在每一个报文的发送都指定这4元组
• 就像使用操作系统打开一个文件，OS返回一个文件句柄一样，以后使用这个文件句柄，而不是使用这个文件的目录名、文件名
• 简单，便于管理

TCP 不只是一个简单标识，它主要是用于指明应用进程会话的本地标识。

1.2.2.4 UDP 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
• 因此，只能用一个整数表示本应用实体的标示
  • 因为这个报文可能传给另一个分布式进程
• 穿过层间接口的信息大小最小
• UDP socket：本地IP，本地端口
• 但是传输报文时：必须提供对方IP，port
  • 接收报文时：传输层需要上传对方的IP，port

1.2.2.5 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）
  • UDP 套接字指定了应用所在的一个端节点（end point）
  • 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
  • 但是在发送报文时，必须要指定对方的 ip 和 udp port(另外一个端节点)

1.2.2.6 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)

1.2.3 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

1.3 应用层协议

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

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

1.3.1 应用需要传输层提供什么样的服务?如何描述传输层的服务?

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）能容忍一定比例一下的数据丢失

延迟

• 一些应用 处于有效性考虑，对数据传输有严格的时间限制
  • Internet 电话、交互式游戏
  • 延迟、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）

常见应用对于传输服务的要求

1.3.2 Internet 传输层提供的服务

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

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

UDP 啥都没有，那为什么有UDP呢？

1.3.3 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

1.3.4 Internet应用及其应用层协议和传输协议

1.3.5 安全TCP

TCP & UDP

• 都没有加密
• 明文通过互联网传输，甚至密码

SSL（safe socket level，运行在在TCP之上）

• 在TCP上面实现，提供加密的TCP连接
• 私密性
• 数据完整性
• 端到端的鉴别

这就是为什么我们很多时候网页都是 https 开头

https = http + ssl

	SSL
------------http

SSL在应用层

• 应用采用SSL库，SSL库使用TCP通信

SSL socket API

• 应用通过 API 将明文交给socket，SSL将其加密在互联网上传输
• 详见第8章

二、Web 和 HTTP

一些术语：

• Web页：由一些对象组成

• 对象可以是一些HTML文件、JPEG图像、Java小程序、声音剪辑文件等

• Web页含有一个基本的HTML文件，该基本HTML文件又包含若干对象的引用（链接）

• 通过URL对每个对象进行引用

  • 访问协议、用户名、口令字、端口等

• URL格式：

  

2.1 HTTP概况

HTTP：超文本传输协议

• Web 的 应用层协议
• 客户/服务器模式
  • 客户：请求、接收和显示Web对象的浏览器
  • 服务器：对请求进行响应，发送对象的Web服务器
• HTTP 1.0: RFC 1945
• HTTP 1.1: RFC 2068

使用TCP：

• 客户发起一个与服务器的TCP连接(建立套接字)，端口号为 80

• 服务器接受客户的TCP连接

• 在浏览器(HTTP客户端) 与 Web服务器(HTTP服务器 server) 交换HTTP报文 (应用层协议报文)

• TCP连接关闭

HTTP是无状态的

• 服务器并不维护关于客户的任何信息

维护状态的协议很复杂！

• 必须维护历史信息(状态)
• 如果服务器/客户端死机，它们的状态信息可能不一致，二者的信息必须是一致
• 无状态的服务器能够支持更多的客户端

2.2 HTTP 连接

非持久HTTP连接

• 最多只有一个对象在TCP连接上发送
• 下载多个对象需要多个TCP连接
• HTTP/1.0 使用非持久连接

持久HTTP

• 多个对象可以在一个(在客户端和服务器之间的) TCP 连接上的传输
• HTTP/1.1 默认使用持久连接

2.2.1 非持久HTTP连接

2.2.2 响应时间模型

**往返时间RTT（round-trip time）：**一个小的分组从客户端到服务器，再回到客户端的时间（传输时间忽略不计）

响应时间：

• 一个RTT用来发起TCP连接
• 一个RTT用来HTTP请求并等待HTTP响应
• 文件传输时间

共：2RTT + 传输时间

2.2.3 持久HTTP

非持久HTTP的缺点：

• 每个对象要2个 RTT
• 操作系统必须为每个TCP连接分配资源
• 但浏览器通常打开并行TCP连接，以获取引用对象

持久HTTP

• 服务器在发送响应后，仍保持 TCP 连接
• 在相同客户端和服务器之间的后续请求和响应报文通过相同的连接进行传送
• 客户端在遇到一个引用对象的时候，就可以尽快发送该对象的请求

非流水方式的持久HTTP

• 客户端只能在收到前一个响应后才能发出新的请求
• 每个引用对象花费一个RTT

流水方式的持久HTTP

• HTTP/1.1的默认模式
• 客户端遇到一个引用对象就立即产生一个请求
• 所有引用(小)对象只花费一个RTT是可能的

2.3 HTTP 请求报文

• 两种类型的HTTP报文：请求、响应
• HTTP请求报文：
  • ASCII(人能阅读)

下面是一个典型的 HTTP 请求报文：

虽然这个特定的报文仅有5行，但一个请求报文能够具有更多的行或者至少为1行。

HTTP 请求报文的第一行叫做请求行(request line)，其后继的行叫做首部行(header line)

请求行有3个字段：方法字段、URL字段和HTTP版本字段

方法字段可以取不同的值，包括：GET、POST、HEAD、PUT 和 DELETE（绝大多数HTTP请求报文使用GET方法）

上面首部行的Host则指明了对方主机，虽然该主机中已经有了TCP，但是由于我们后面有 Connection:close，要求不使用持久连接，在发送完对象后就关闭连接，所以指明主机还是必要的

2.3.1 通用格式

2.3.2 提交表单输入

例如用户向搜索引擎提供搜索关键词，HTTP 客户端通常使用 POST 方法，使用 POST 报文时，用户仍然可以请求一个Web页面，Web页面的特定内容依赖于用户的表单输入

使用 POST 方式，实体中包含用户的输入，而使用GET时，实体为空，不过GET也经常用来作为表单提交的方式

学过一些Web前端的话对这一点不会陌生，<form> 可以指定提交的方式为 POST 或者是 GET

我们在 使用 PHP Web交互编程时，是有 超全局数组 _POST 和 _GET的，都可以获取用户的表单输入

POST方式：

• 网页通常包括表单输入
• 包含在实体主体（entity body）中的输入被提交到服务器

URL方式：

• 方法：GET
• 输入通过请求行的URL字段上截

当使用GET，比如我们输入了monkeys和bananas，那么URL就会变成如下形式：

www.somesite.comanimalsearch?monkeys&bananas

当然也有参数名=参数值的形式（比如我们网盘链接有password=xxx）

http://www.baidu.com/s?wd=xx+yy+zzz&cl=3
参数：wd，cl
参数值：xx+yy+zzz,3

2.3.3 方法类型

HTTP/1.0

• GET
• POST
• HEAD
  • 要求服务器在响应报文中不包含请求对象 -> 故障跟踪

HTTP/1.1

• GET，POST，HEAD
• PUT
  • 将实体主体中的文件上载到URL字段规定的路径
• DELETE
  • 删除URL字段规定的文件

2.4 HTTP响应报文

我们先看一条典型的 HTTP 响应报文

它有三个部分：

• 初始状态行(state line)
  • 状态行有3个字段：协议版本字段、状态码和相应状态信息
• 6个首部行(head line)
  • 每行含义和英文单词已知
• 实体体(entity body)
  • 报文的主要部分

2.4.1 HTTP 响应状态码

位于服务器→客户端的响应报文中的首行

一些状态码的例子：

200 OK

• 请求成功，请求对象包含在响应报文的后续部分

301 Moved Permanently

• 请求的对象已经被永久转移了；新的URL在响应报文的Location：首部行中指定
• 客户端软件自动用新的URL去获取对象

400 Bad Request

• 一个通用的差错代码，表示该请求不能被服务器解读

404 Not Found

• 请求的文档在该服务上没有找到

505 HTTP Version Not Supported

2.4.2 Trying out HTTP (client side) for yourself

这里是在 终端中（windows可以在cmd中）通过telnet 连接目标服务器，然后 输入一个 GET 请求报文

看看服务器的响应

例子：

我自己瞎捣鼓了下：

返回了一段 html 文本

root@LAPTOP-292TJJC6:~# telnet github.com 80
Trying 20.205.243.166...
Connected to github.com.
Escape character is '^]'.
GET /~ross/ HTTP/1.1
Host: github.com
HTTP/1.1 408 Request Time-out
Content-length: 110
Cache-Control: no-cache
Connection: close
Content-Type: text/html<html><body><h1>408 Request Time-out</h1>
Your browser didn't send a complete request in time.
</body></html>
Connection closed by foreign host.
root@LAPTOP-292TJJC6:~#

2.5 用户-服务器状态：cookies

大多数主要的门户网站使用 cookies（为什么我们打开以前打开过的网站能够恢复之前的信息？）

4个组成部分：

1. 在HTTP响应报文中有一个cookie的首部行
2. 在HTTP请求报文含有一个cookie的首部行
3. 在用户端系统中保留有一个cookie文件，由用户的浏览器管理
4. 在Web站点有一个后端数据库

例子：

• Susan总是用同一个PC使用Internet Explore上网
• 她第一次访问了一个使用了Cookie的电子商务网站
• 当最初的HTTP请求到达服务器时，该Web站点产生一个唯一的ID：1678，并以此作为索引在它的后端数据库中产生一个表项
• Susan 的浏览器收到该 HTTP 响应报文时，它会看到 Set-cookie：首部。从而在浏览器的 cookie 文件中添加一行，该行包括了服务器的主机名和Set-cookie：首部中的识别码
• 当 Susan 后续再访问Amazon，浏览器就会查询cookie 文件并抽取她对Amazon 的识别码，放到HTTP 请求报文包括识别码的 cookie 首部行中。
• Amazon 就可以追踪 Susan 的访问活动，提供服务

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

Cookies 能带来什么：

• 用户验证
• 购物车
• 推荐
• 用户状态（Web e-mail）

如何维持状态：

• 协议端节点：在多个事务上，发送端和接收端维持状态
• cookies：http报文携带状态信息

Cookies 与 隐私：

• Cookies 允许站点知道许多关于用户的信息
• 可能将它知道的东西卖给第三方
• 使用重定向和cookie 的搜索引擎还能知道用户更多的信息
  • 如通过某个用户在大量站点上的行为，了解其个人浏览方式的大致模式
• 广告公司从站点获得信息

2.6 Web 缓存（代理服务器）

Web 缓存器（Web cache）也叫代理服务器（proxy server）

目标：不访问原始服务器，就满足客户的要求

• 用户设置浏览器：通过缓存访问Web
• 浏览器将所有的HTTP请求发给缓存
  • 在缓存中的对象：缓存直接返回对象
  • 如对象不在缓存，缓存请求原始服务器，然后再将对象返回给客户端

• 缓存既是客户端又是服务器
• 通常缓存是由ISP安装（大学、公司、居民区ISP）

为什么要使用Web缓存？

• 降低客户端的请求响应时间
• 可以大大减少一个机构内部网络与Internet 接入链路上的流量
• 互联网大量采用了缓存：可以使较弱的 ICP 也能够有效提供内容

示例

上图有两个网络：机构（内部）网络和公共因特网

• 机构网络上一台服务器和因特网上的路由器通过 15Mbps 的链路连接
• 对象平均长度：1Mb
• 机构内浏览器到初始服务器平均访问速率：15个请求每秒
• 我们假设HTTP请求报文小到可以忽略，因而不计其在网络以及接入链路上的时延
• 接入链路一侧路由器转发请求报文到接收响应报文，我们称为“因特网时延”，假设时间平均为2s

那么局域网上的流量强度为：15个 / s * 1Mb / 100Mbps = 0.15

接入链路上的流量强度：15个 / s * 1Mb / 请求 / 15Mbps = 1

流量强度为1，排队时延无限大，因而链路时延在分钟量级, 响应极慢

解决方式:

• 增加接入链路带宽, 不妨从15Mbps 升级到 100Mbps, 这样响应时间降低到大概2s

• 另一种方案, 在机构网络中安装Web缓存器, 我们这里假设命中率为0.4, 命中情况下时延在10ms以内, 此时链路只会处理60%的请求对象, 流量强度降低到0.6, 一般流量强度低于0.8 的时延为几十毫秒

  那么 平均时延为 0.4 * 0.01 + 0.6 * 2.1 约等于 1.2 s

Web 缓存相较于升级链路, 代价低, 收益高

2.6.1 条件GET方法

缓存会涉及到 内容是否是最新的问题, 我们的HTTP请求报文中可以指明这一点

• 目标: 如果缓冲器中的对象拷贝是最新的, 就不要发送对象.

• 缓冲器: 在HTTP请求中指定缓存拷贝的日期

  If-modified-since: <date>

• 服务器: 如果缓存拷贝陈旧, 则响应报文没包含对象: HTTP/1.0 304 Not Modified

三、FTP

FTP(File Transfer Protocol), 即 文件传输协议.

• 向远程主机上传输文件或者 从远程主机接收文件
• 客户/服务器模式
  • 客户端: 发起传输的一方
  • 服务器: 远程主机
• ftp: RFC 959
• ftp 服务器: 端口号为21

如果用过 Xfpt 进行 win 和 linux 之间的文件传输的话, 应该还是有一点熟悉的.

3.1 FTP: 控制连接与数据连接分开

• FTP 客户端与 FTP服务器通过端口21联系, 并使用TCP为传输协议
• 客户端通过控制连接获得身份确认
• 客户端通过控制连接发送命令浏览远程目录
• 收到一个文件传输命令时, 服务器打开一个到客户端的数据连接
• 一个文件传输完成后, 服务器关闭连接
• 服务器主动打开第二个TCP数据连接用来传输另一个文件
• 控制连接: 带外(“out of bound”) 传送
• FTP 服务器维护用户的状态信息: 当前路径, 用户账户 与 控制连接 对应 有状态

3.2 FTP 命令, 响应

命令样例

• 在控制连接上以ASCII文本方式传送
• USER username
• PASS password
• LIST: 请服务器返回远程主机当前目录的文件列表
• RETR filename: 从远程主机的当前目录检索文件**(gets)**
• STOP filename: 向远程主机的当前目录存放文件**(puts)**

返回码样例

• 状态码和状态信息(同HTTP)
• 331 Username OK, password required
• 125 data connection already open; transfer starting
• 425 Can’t open data connection
• 452 Error writing file

四、Email

3个主要组成部分：

• 用户代理
• 邮件服务器
• 简单邮件传输协议：SMTP

用户代理

• 又名 “邮件阅读器”
• 撰写、编辑和阅读邮件
• 如 Outlook、Foxmail 就是用户代理
• 输出和输入邮件保存在服务器上

4.1 Email：邮件服务器

邮件服务器

• 邮箱中管理和 维护发送给用户的邮件
• 输出报文队列 保持待发送邮件报文
• 邮件服务器之间的SMTP协议：发送email 报文
  • 客户：发送方邮件服务器
  • 服务器：接收端邮件服务器

4.2 Email：SMTP[RFC 2821]

• 使用TCP在客户端和服务器之间传送报文，端口号为25
• 直接传输: 从发送方服务器到接收方服务器传输的3个阶段
• 传输的3个阶段
  • 握手
  • 传输报文
  • 关闭
• 命令/响应交互
  • 命令: ASCII文本
  • 响应: 状态码和状态信息
• 报文必须为7位ASCII码

举例：Alice 给 Bob 发送报文

• Alice使用用户代理撰写邮件 并发送给 [e-mail]
• Alice的用户代理将邮件发送到她的邮件服务器;邮件放在报文队列中
• SMTP的客户端打开到Bob邮件服务器的TCP连接
• SMTP客户端通过TCP连接发送Alice的邮件
• Bob的邮件服务器将邮件放到Bob的邮箱
• Bob调用他的用户代理阅读邮件

4.3 简单的SMTP交互

• 客户的主机名：crepes.fr
• 服务器的主机名：hamburger.edu
• C：开头的ASCII码文本行是客户交给TCP套接字的那些行
• S：开头的那些行是服务器发给TCP套接字的那些行

一旦建立TCP连接，就会进行下面过程：

• 客户从邮件服务器crepes.fs 向 邮件服务器 hamburger.edu 发送了一个报文（Do you like ketchup? How about pickles?）
• HELO, MAIL FROM, RCPT TO, DATA, QUIT 都是一些命令， . 表示结束

4.4 SMTP 总结

• SMTP使用持久连接
• SMTP要求报文(首部和主体)为7位ASCII编码
• SMTP服务器使用 CRLF.CRLF决定报文的尾部

HTTP比较:

• HTTP: 拉(pull)，用户通过HTTP 拉取信息
• SMTP: 推(push)，发送邮件服务器把文件推向接收邮件服务器
• 二者都是ASCII形式的命令/响应交互、状态码
• HTTP: 每个对象封装在各自的响应报文中
• SMTP: 多个对象包含在一个报文中

4.5 邮件报文格式

SMTP：交换Email 报文的格式

RFC 822：文本报文的标准：

• 首部行：如

  • To:

  • From:

  • Subject:

    与SMTP 命令 不同

• 主体

  • 报文，只能是ASCII码字符

4.6 报文格式：多媒体扩展

如果传输的内容不满足ascii，我们就需要进行一些扩展。

• MIME：多媒体邮件扩展（multimedia mail extension）

  RFC 2045，2056

• 在报文首部用额外的行申明MIME内容类型

base64 编码方式就是 一种 将不满足 ASCII 的字符 编码成更长的 字符从而能够通过SMTP的协议传输

4.7 邮件访问协议

• SMTP：传送到接收方的邮件服务器
• 邮件访问协议：从服务器访问邮件
  • POP：邮局访问协议（Post Office Protocol）[RFC 1939]
    • 用户确认（代理 <–> 服务器）身份并下载
  • IMAP：Internet 邮件访问协议**（Internet Mail Access Protocol）[RFC 1730]**
    • 更多特性（更复杂）
    • 在服务器上处理存储的报文
  • HTTP：Hotmail，Yahoo！Mail 等
    • 方便

4.7.1 POP3协议

事务处理过程，POP3的用户代理通常被用户配置为“下载并删除” / “下载并保留” 方式。

• 如上面 retr 之后 就 dele 了
• 问题是邮件接收方可能是移动的，在一台机器接收后，在其它机器却无法访问，因为用户报文已经被删除了

下载并保留模式则支持在不同机器重新读取邮件，因为邮件仍然保存在邮件服务器上。

4.7.2 POP3 与 IMAP协议

POP3：本地管理文件夹

先前的例子使用 **“下载并删除”**模式。

• 如果改变客户机，Bob不能阅读邮件
• “下载并保留”：不同客户机上为报文的拷贝
• POP3在会话中是无状态的

IMAP ：远程管理文件夹

• IMAP服务器将每个报文与一个文件夹联系起来
• 允许用户用目录来组织报文
• 允许用户读取报文组件
• IMAP在会话过程中保留用户状态：
  • 目录名、报文ID与目录名之间映射

五、DNS

5.1 DNS 的必要性

如何标记主机？

• 主机名（hostname），www.facebook.com 等，但是它们几乎没有提供主机在因特网中的信息
• IP地址，不便于人记忆
• 因而 存在着“字符串”（主机名）——IP地址的转换的必要性
• 人类用户提供要访问机器的“字符串”名称
• 由DNS负责转换成为二进制的网络地址

5.2 DNS(domain name system) 系统需要解决的问题？

问题1：如何命名设备

• 用有意义的字符串：好记，便于人类用使用
• 解决一个平面命名的重名问题：层次化命名

问题2：如何完成名字到IP地址的转换

• 分布式的数据库维护和响应名字查询

问题3：如何维护：增加或者删除一个域，需要在域名系统中做哪些工作

5.3 DNS 的历史

• ARPANET的名字解析解决方案
  • 主机名：没有层次的一个字符串**(一个平面)**
  • 存在着一个(集中)维护站：维护着一张主机名——IP地址的映射文件：Hosts.txt
  • 每台主机定时从维护站取文件
• ARPANET解决方案的问题
  • 当网络中主机数量很大时
    • 没有层次的主机名称很难分配
    • 文件的管理、发布、查找都很麻烦

5.4 DNS(Domain Name system)总体思路和目标

• DNS的主要思路
  • 分层的、基于域的命名机制
  • 若干分布式的数据库完成名字到 IP 地址的转换
  • 运行在UDP之上端口号为53的应用服务
  • 核心的Internet功能，但以应用层协议实现
    • 在网络边缘处理复杂性
• DNS主要目的
  • 实现主机名-IP地址的转换(name/IP translate)
  • 其它目的
    • 主机别名到规范名字的转换：Host aliasing
    • 邮件服务器别名到邮件服务器的正规名字的转换：Mail server aliasing
    • 负载均衡：Load Distribution

5.5 问题1：DNS名字空间（The DNS Name Space）

• DNS域名结构

  • 一个层面命名设备会有很多重名

  • DNDS采用层次树状结构的 命名方法

  • Internet 根被划为几百个顶级域(top lever domains)

    • 通用的(generic)

      .com：.edu; .gov; int; .mil; .net; .org

      firm：.hsop ; .web ; .arts; .rec ;

    • 国家的(countries)

      .cn; .us; .nl; .jp

• 每个(子)域下面可划分为若干子域(subdomains)**

• 树叶是主机

5.5.1 DNS: 根名字服务器

根DNS服务器：有400多个根名字服务器遍及全球，由13个不同的组织分别管理

根名字服务器提供TLD服务器的IP地址

5.5.2 DNS 名字空间

• 域名(Domain Name)

  • 从本域往上，直到树根
  • 中间使用 “.” 间隔不同的级别
  • 例如：ustc.edu.cn
  • auto.ustc.edu.cn
  • www.auto.ustc.edu.cn
  • 域的域名：可以用于表示一个域
  • 主机的域名：一个域上的一个主机

• 域名的管理

  • 一个域管理其下的子域

    .jp 被划分为 ac.jp，co.jp

    .cn 被划分为 edu.cn com.cn

  • 创建一个新的域，必须征得它所属域的同意

• 域与物理网络无关

  • 域遵从组织界限，而不是物理网络
    • 一个域的主机可以不在一个网络
    • 一个网络的主机不一定在一个域
  • 域的划分是逻辑的，而不是物理的

5.6 问题2：解析问题——名字服务器（Name Server）

• 一个名字服务器的问题
  • 可靠性问题：单点故障
  • 扩展性问题：通信容量
  • 维护问题：远距离的集中式数据库
• 区域（zone）
  • 区域的划分由区域管理者自己决定
  • 将DNS名字空间划分为互不相交的区域，每个区域都是树的一部分
  • 名字服务器：
    • 每个区域都有一个名字服务器：维护着它所管辖区域的权威信息（authoritative record）
    • 名字服务器允许被放置在区域之外，以保障可靠性

5.6.1 名字空间划分为若干区域：Zone

权威DNS服务器：组织机构的DNS服务器，提供组织机构服务器(如Web和mail)可访问的主机和IP之间的映射

组织机构可以选择实现自己维护或由某个服务提供商来维护

5.6.2 TLD 服务器

顶级域(TLD)服务器：负责顶级域名(如com，org，net，edu和gov)和所有国家级的顶级域名(如cn，uk，fr，ca，jp）

• Network solutions 公司维护 com TLD服务器
• Educause 公司维护 edu TLD服务器

5.6.3 区域名字服务器维护资源记录

• 资源记录(resource records)
  • 作用：维护 域名-IP地址(其它)的映射关系
  • 位置：Name Server的分布式数据库中
• RR格式：(domain_name，ttl，type，class，Value)
  • Domain_name：域名
  • Ttl：time to live：生存时间(权威，缓冲记录)
  • Class 类别：对于Internet，值为IN
  • Value 值：可以是数字，域名或ASCII串
  • Type 类别：资源记录的类型（详见下面）

DNS 记录

DNS：保存资源记录(RR)的分布式数据库

RR格式：（name，value，type，ttl）

name 和 value 取决于 type 的类别

• Type = A

  • name 为主机
  • value 为 IP 地址

• Type = NS

  • name 域名（如foo.com）
  • value 为该域名的权威服务器的域名

• Type = CNAME

  • name 为规范名字的别名

    www.ibm.com 的 规范名字为servereast.backup2.ibm.com

  • value 为规范名字

• Type = MX

  • value 为 name 对应的邮件服务器的名字

TTL：生存时间，决定了资源记录应当从缓存中删除的时间

资源记录（resource records）的 一个例子：

5.6.4 DNS(Domain Name System)

• DNS 大致工作过程
  • 应用调用 解析器（parser）
  • 解析器作为客户 向 Name Server 发出查询报文（封装在UDP段中）
  • Name Server 返回响应报文（name/ip）

5.6.5 本地名字服务器（Local Name Server）

• 并不严格属于层次结构
• 每个ISP（居民区的ISP、公司、大学）都有一个本地DNS服务器
  • 也称为"默认名字服务器"
• 当一个主机发起一个DNS查询时，查询被送到其本地DNS服务器
  • 起着代理的作用，将查询转发到层次结构中

5.6.6 ★递归查询

• 名字解析过程
  • 目标名字在 Local Name Server 中
    • 情况1：查询的名字在该区域内部
    • 情况2：缓存（cashing）

当与本地名字服务器不能解析名字时，联系根名字服务器顺着根-TLD 一直找到 权威名字服务器

• 名字解析负担都放在了当前联络的名字服务器上
• 问题：根服务器的负担太重
• 解决：迭代查询（iterated queries）

5.6.7 迭代查询

• 主机 cis.poly.edu 想知道 主机 gaia.cs.umass.edu 的IP地址
• 根(及各级域名)服务器，返回的不是查询结果，而是下一个NS的地址
• 最后由权威名字服务器给出解析结果
• 当前联络的服务器给出可以联系的服务器的名字
• “我不知道这个名字，但可以向这个服务器请求”

5.6.8 DNS 协议、报文

DNS 协议：查询和响应报文的报文格式相同，通过标志位来判断是查询还是应答

5.6.9 提高性能：缓存

• 一旦名字服务器学到了一个映射，就将该映射缓存起来
• 根服务器通常都在本地服务器中缓存着
  • 使得根服务器不用经常被访问
• 目的：提高效率
• 可能存在的问题：如果情况变化，缓存结果和权威资源记录不一致
• 解决方案：TTL（默认2天）

5.7 问题3：维护问题：新增一个域

• 在上级域的名字服务器中增加两条记录，指向这个新增的子域的域名 和 域名服务器的地址

• 在新增子域 的名字服务器上运行名字服务器，负责本域的名字解析：名字 -> IP地址

  例子：在 com域 中建立一个“Network Utopia”

• 到注册登记机构注册域名 networkutopia.com

  • 需要向该机构提供权威DNS服务器(基本的、和辅助的)的名字和IP地址

  • 登记机构在com TLD服务器中插入两条RR记录：

    (networkutopia.com，dns1.networkutopia.com，NS)

    (dns1.networkutopia.com，212.212.212.1，A)

• 在 networkutopia.com 的权威服务器中确保有

  • 用于Web服务器的 www.networkuptopia.com 的类型为A的记录
  • 用于邮件服务器 mail.networkutopia.com 的类型为MX的记录

5.7.1 攻击DNS

DDoS 攻击

• 对根服务器进行流量轰炸

  攻击：发送大量ping

  • 没有成功
  • 原因1：根目录服务器配置了流量过滤器，防火墙
  • 原因2：Local DNS 服务器 缓存了TLD服务器的IP地址，因此无需查询根服务器

• 向TLD服务器流量轰炸攻击：发送大量查询

  • 可能更危险
  • 效果一般，大部分DNS缓存了TLD

重定向攻击

• 中间人攻击

  • 截获查询，伪造回答，从而攻击某个(DNS回答指定的IP)站点

• DNS中毒

  • 发送伪造的应答给DNS服务器，希望它能够缓存这个虚假的结果

• 技术上较困难：分布式截获和伪造

  利用DNS基础设施进行DDoS

• 伪造某个IP进行查询，攻击这个目标IP

• 查询放大，响应报文比查询报文大

• 效果有限

总之，DNS 有着很强的健壮性，至今为止，还没有一个攻击成功地妨碍了DNS服务。

因而那些对于13个根服务器没有一个在中国的阴谋论在很大程度上是没必要担忧的。

六、P2P应用

6.1 纯P2P架构

• 没有(或极少)一直运行的服务器
• 任意端系统都可以直接通信
• 利用peer的服务能力
• Peer节点间歇上网，每次IP地址都有可能变化

例子

• 文件分发(BitTorrent)
• 流媒体(KanKan)
• VoIP(Skype)

6.2 文件分发：C/S vs P2P

问题：从一台服务器分发文件（大小F）到N个peer需要多少时间

• Peer节点上下载能力是有限的资源

6.2.1 文件分发时间：C/S模式

• 服务器传输：都是由服务器发送给peer，服务器必须顺序传输 (上载) N个文件拷贝：
  • 发送一个copy：F / u
  • 发送N个copy：NF / u
• 客户端：每个客户端必须下载一个文件拷贝
  • dmin = 客户端最小的下载速率
  • 下载带宽最小的客户端下载的时间：F / dmin

采用 C/S 方法将一个F大小的文件分发给N个客户端的最小分发时间：

D C / S ≥ m a x { N F / u s , F / d m i n } D_{C/S} \ge max\{NF / u_s , F/d_{min} \} DC/S​≥max{NF/us​,F/dmin​}

因为 服务器要发N份，然后每个客户端都要下载

随着N 的增大，最小分发时间线性增长

6.2.2 文件分发时间：P2P模式

• 服务器传输：最少需要上载一份拷贝
  • 发送一个拷贝的时间：F/u
• 客户端：每个客户端必须下载一个拷贝
  • 最小下载带宽客户端耗时：F/dmin
• 客户端：所有客户端总体下载量NF
  • 最大上载带宽是：$u_s+\Sigma u_i$
  • 除了服务器可以上载，其他所有的 peer 节点都可以上载

采用P2P方法发送一个F大小的文件分发给N个客户端耗时：

$D_{P2P}\ge max(F/u_s,F/d_{min},NF/(u_s+\Sigma u_i))$

随着N 的增加，虽然NF增加，但是每个peer节点也会带来上载带宽，因此此时不是随着N线性增加了

6.2.3 Client-server vs. P2P

$ 客户端上载速率 = u，F / u = 1小时，u_s = 10u，d_{min} >= u_s $

6.2.4 P2P文件共享

例子

• Alice在其笔记本电脑上运行P2P客户端程序
• 间歇性地连接到 Internet，每次从其ISP得到新的IP地址
• 请求“双截棍.MP3”
• 应用程序显示其他有 “双截棍.MP3” 拷贝的对等方
• Alice选择其中一个对等方，如Bob.
• 文件从 Bob’s PC 传送到 Alice 的笔记本上：HTTP
• 当 Alice 下载时，其他用户也可以从 Alice 处下载
• Alice 的对等方既是一个 Web 客户端，也是一个瞬时 Web 服务器

所有的对等方都是服务器 = 可扩展性好!

• 两大问题：
  • 如何定位所需资源
  • 如何处理对等方的加入与离开
• 可能的方案
  • 集中
  • 分散
  • 半分散

6.2.5 非结构化P2P

6.2.5.1 P2P：集中式目录

最初的 “Napster” 设计

1. 当对等方连接时，它告知中心服务器：

   TP地址

   内容

2. Alice 查询 “双截棍.MP3”

3. Alice 从 Bob 处请求文件

存在的问题：

• 单点故障
• 性能瓶颈
• 侵犯版权

文件传输是分散的，而定位内容则是高度集中的

6.2.5.2 查询洪泛：Gnutella（完全分布式）

• 全分布式
  • 没有中心服务器
• 开放文件共享协议
• 许多Gnutella客户端实现了Gnutella协议
  • 类似HTTP有许多的浏览器
• 覆盖网络：图
• 如果x和y之间有一个TCP连接，则二者之间在一条边
• 所有活动的对等方和边就是覆盖网络
• 边并不是物理链路
• 给定一个对等方，通常所连接的节点少于10个

Gnutella：协议

• 在已有的TCP连接上发送查询报文
• 对等方转发查询报文
• 以反方向返回查询命中报文

我们称这种查询方式为 洪泛（flooding）。

显然我们的查询会不断向外扩展，当规模太大的时候，压力很大。

我们可以通过tll（time to live），缓存等手段来改善，但显然，这种完全分布式的P2P 管理方式较难维护。

Gnutella：对等方加入

• 对等方 x 必须首先发现某些已经在覆盖网络中的其他对等方：使用可用对等方列表

  自己维持一张对等方列表（经常开机的对等方的IP）

  联系维持列表的 Gnutella 站点

• x 接着试图与该列表上的对等方建立 TCP 连接，直到与某个对等方 y 建立连接

• x 向 y 发送一个Ping报文，y 转发该Ping报文

• 所有收到Ping报文的对等方以 Pong报文响应

  IP地址、共享文件的数量及总字节数

• x 收到许多Pong报文，然后它能建立其他TCP连接

6.2.5.3 利用不匀称性：KaZaA（混合体）

• 每个对等方要么是一个组长，要么隶属于一个组长
  • 对等方与其组长之间有TCP连接
  • 组长对之间有TCP连接
• 组长跟踪其所有的孩子的内容
• 组长与其他组长联系
  • 转发查询到其他组长
  • 获得其他组长的数据拷贝

可见 组长间是 P2P，而组员和组长间是C/S

KaZaA：查询

• 每个文件有一个散列标识码和一个描述符
• 客户端向其组长发送关键字查询
• 组长用匹配进行响应：
  • 对每个匹配：元数据、散列标识码和IP地址
• 如果组长将查询转发给其他组长，其他组长也以匹配进行响应
• 客户端选择要下载的文件
  • 向拥有文件的对等方发送一个带散列标识码的 HTTP请求

6.2.5.4 P2P文件分发：BitTorrent

BitTorrent 是一个很常见的东西，我们平时在BT网站下载电影，BT磁力链接……

BitTorrent 是一种用于文件分发的流行P2P协议。

参与一个特定文件分发的所有对等方的集合被称为一个洪流(torrent)。

一个洪流中的对等方彼此下载等长度的文件块（chunk），典型长度为256KB。

• 文件被分为一个个块 256KB，而对于是否拥有某个块，用位图（bitmap）来维护
• 网络中的这些 peers 发送接收文件块，相互服务

• Peer 加入 torrent：

  • 一开始没有块，但是将会通过其他节点处累积文件块
  • 向**跟踪服务器（Tracker）**注册，获得 peer 节点列表，和部分 peer 节点构成邻居关系（“连接”）
  • 周期性的通知Tracker 自己仍然在洪流中

• 当peer下载时，该 peer 可以同时向其他节点提供上载服务

• Peer可能会变换用于交换块的 peer 节点

• 扰动churn：peer 节点可能会上线或者下线

• 一旦一个 peer 拥有整个文件，它会(自私的)离开或者保留(利他主义)在 torrent 中

BitTorrent：请求，发送文件块

请求块：

• 在任何给定时间，不同 peer 节点拥有一个文件块的子集
• 周期性的，Alice节点向邻居询问他们拥有哪些块的信息
• Alice 向 peer 节点请求它希望的块，稀缺的块

发送块：一报还一报tit-for-tat

• Alice向 4 个 peer 发送块，这些块向它自己提供最大带宽的服务，也就是说，向对自己好的邻居发送块
  • 其他 peer 被Alice阻塞(将不会从Alice处获得服务)
  • 每10秒重新评估一次：前4位
• 每个30秒：随机选择其他peer节点，向这个节点发送块
  • “优化疏通”这个节点
  • 新选择的节点可以加入这个top

所以我们平时用的BT是如何工作的呢？

• 用户在搜索引擎上查询
• 下载 torrent 文件
• torrent 文件中包含了 tracking server 的信息
• 向 tracking server 发送请求，然后会返回一个peer列表
• 我们再和这些 peer 进行通信

6.2.6 DHT(结构化P2P)

DHT 即 分布式散列表，它是一种简单的数据库，数据库记录分布在一个P2P系统的多个对等方上。

每个节点拥有一个哈希值，然后根据哈希值的大小，将节点组成一个有序的拓扑环状结构。

而文件也有哈希值，也按照类似的方法，按照哈希值从小到大将文件分组存放在某个对等方上。

七、CDN

7.1 视频流化服务和CDN：上下文

• 视频流量:占据着互联网大部分的带宽
  • Netflix，YouTube：占据37%，16%的ISP下行流量。
  • ~1B(billion) YouTube 用户，~75M Netflix用户
• 挑战：规模性-如何服务者~1B 用户?
  • 单个超级服务器无法提供服务(为什么)
• 挑战：异构性
  • 不同用户拥有不同的能力(例如：有线接入和移动用户：带宽丰富和受限用户)
• 解决方案：分布式的，应用层面的基础设施

7.2 多媒体：视频

• 视频：固定速度显示的图像序列
  • e.g.24 images/sec
• 网络视频特点：
  • 高码率：>10x于音频，高的网络带宽需求
  • 可以被压缩
  • 90%以上的网络流量是视频
• 数字化图像：像素的阵列
  • 每个像素被若干bits表示
• 编码：使用图像内和图像间的冗余来降低编码的比特数
  • 空间冗余(图像内)
  • 时间冗余(相邻的图像间)
• **CBR：(constant bitrate)：**以固定速率编码
• **VBR：(variable bitrate)：**视频编码速率随时间的变化而变化
• 例子：
  • MPEG1 (CD-ROM) 1.5Mbps
  • MPEG2 (DVD) 3-6 Mbps
  • MPEG4 (often used in Internet，< 1 Mbps)

下面是空间编码和时间编码的例子：

7.3 存储视频的流化服务

简单场景：

我们在看视频的方式难道要把视频全部下载下来再看吗？

事实上，我们是通过流化服务，边下边看。

7.3.1 多媒体流化服务：DASH

• DASH：Dynamic，Adaptive Streaming over HTTP
• 服务器：
  • 将视频文件分割成多个块
  • 每个块独立存储，编码于不同码率(8-10种)
  • 告示文件(manifest file)：提供不同块的URL
• 客户端：
  • 先获取告示文件
  • 周期性地测量服务器到客户端的带宽
  • 查询告示文件，在一个时刻请求一个块，HTTP头部指定字节范围
    • 如果带宽足够，选择最大码率的视频块
    • 会话中的不同时刻，可以切换请求不同的编码块(取决于当时的可用带宽)

7.3.2 流式多媒体技术3：DASH

• “智能”客户端：客户端自适应决定
  • 什么时候去请求块(不至于缓存挨饿，或者溢出)
  • 请求什么编码速率的视频块(当带宽够用时，请求高质量的视频块)
  • 哪里去请求块(可以向离自己近的服务器发送URL，或者向高可用带宽的服务器请求)

7.4 内容分发网（Content Distribution Networks）

• 挑战：服务器如何通过网络向上百万用户同时流化视频内容（上百万视频内容）？
• 选择1：单个的、大的超级服务中心“mega-server”
  • 服务器到客户端路径上跳数较多，瓶颈链路的带宽小导致停顿
  • “二八规律”决定了网络同时充斥着同一个视频的 多个拷贝，效率低（付费高、带宽浪费、效果差）
  • 单点故障点，性能瓶颈
  • 周边网络的拥塞

评述：相当简单，但是这个方法不可扩展

• 选择2：通过CDN，全网部署缓存节点，存储服务内容，就近为用户提供服务，提高用户体验

  • enter deep：将CDN服务器深入到许多接入网
    • 更接近用户，数量多，离用户近，管理困难
    • Akamai, 1700个位置
  • bring home：部署在少数(10个左右)关键位置，如将服务器簇安装于POP附近（离若干1st ISP POP较近）
    • 采用租用线路将服务器簇连接起来
    • Limelight

• CDN：在 CDN 节点中存储内容的多个拷贝，让内容靠近用户

  • e.g. Netflix stores copies of MadMen

• 用户从CDN中请求内容

  • 重定向到最近的拷贝，请求内容
  • 如果网络路径拥塞，可能选择不同的拷贝

• OTT 挑战：在拥塞的互联网上复制内容
  • 从哪个CDN节点中获取内容?
  • 用户在网络拥塞时的行为?
  • 在哪些CDN节点中存储什么内容?

CDN：“简单”内容访问场景

Bob(客户端)请求视频http://netcinema.com/6Y7B23V

• 视频存储在CDN，位于http://KingCDN.com/NetC6y&B23V

大致过程就是：主机访问本地DNS服务器，然后做了一个迭代查询，最终一直到CDN权威服务器，然后由KingCDN内容分发服务器将内容发送到主机

案例学习：Netflix

• Netflix 维护了一个账户注册的服务器
• 然后租了 Amazon 的云服务器，视频制作在 云服务器上进行视频制作，网页也放在了云服务器上
• 制作完成后上传到CDN
• 用户完成账户注册后，点击链接重定向进行重定向，然后获得了缓存节点
• 用户可以去选择一个CDN 缓存节点也可以自动分配
• 然后从CDN缓存节点获得 流化服务

八、TCP/IP Socket编程快速入门

大黑书上接着就开始讲套接字编程了，想着还是实践下比较好，所以这里写一下怎样通过 Python 使用 Socket

先回顾一下：

socket 是一套用于不同主机间通信的 API，工作在 TCP/IP 协议栈之上

我们的浏览器，App，ssh客户端都是基于 socket 来实现的

为了进行主机间的通信，我们需要指明 IP地址 和 端口号，IP地址很好理解，而 端口号主要为了 OS 区分数据发送到哪个应用上

TCP 是可靠数据传输，我们发送数据对方一定能收到。

TCP 要求 数据收发双方扮演不同角色：服务器和客户端，服务器等待客户端连接

下面就在 Pycharm 上进行一个简单的体验

8.1 创建简单服务器

这个服务器只需将收到的消息原封不动地发回去

import socketwith socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) as s:s.bind(("0.0.0.0", 1234))s.listen()c, addr = s.accept()with c:print(addr, "connected.")while True:data = c.recv(1024)if not data:breakc.sendall(data)

with 是语法糖，语句块结束，自动调用 s.close()

下面是 socket 的构造函数：

def __init__(self, family=-1, type=-1, proto=-1, fileno=None):

我们传入的 AF_INET 指明了家族(family) 是 IPv4 的地址家族（address family）

SOCK_STREAM 则指明我们用的是 TCP 协议，对应的是type 协议，STREAM其实代表了 TCP 是一个流式协议，我们会在后面的章节中学到

然后通过 bind() 函数将我们创建的socket 关联到主机的某一个网卡（又：网路接口/network interface）和 端口 上

”0.0.0.0“ 这里单纯代表主机上任意一个网卡都可以使用这个 socket 进行通信

listen 则将 socket 置为监听状态，并等待客户端连接

accept 则会返回一个新的socket （上面的 c ）和 IP地址（上面的 addr）

我们 在 WSL 中，通过netcat（linux 下可以用来读写 TCP/UDP 数据的命令行工具，以 本地ip 作为回送地址，连接端口号1234

结果：

8.2 客户端

客户端向服务器请求连接，然后发送数据并接收服务器返回的数据并打印

import socketwith socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) as s:s.connect(("127.0.0.1", 1234))s.sendall(b"Hello, world!")data = s.recv(1024)print(f"Received: {data}")

结果：

8.3 并发多客户端通信

TCP是一个四元组，天生支持我们区分多客户端对于同一端口或者不同端口的访问，我们自然可以实现并发多客户端通信

对于 具体到哪个进程，可以由Pid 区分，这就是 OS的事情了

8.3.1 多线程的Socket 服务器

我们前面的服务器一次只能和一个客户端通信，对于并发多客户端通信，我们这里采用最简单的方式：多线程

import socket
import threadingdef handle_client(c, addr):print(addr, 'connected.')while True:data = c.recv(1024)if not data:breakc.sendall(data)with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) as s:s.bind(("0.0.0.0", 1234))s.listen()while True:c, addr = s.accept()t = threading.Thread(target=handle_client, args=(c, addr))t.start()

• 循环等待连接
• 然后将 新开线程去进行通信

结果：

但是由于 Python GIL（Global Interpreter Lock）的存在，Python 中的线程做不到真正的并发，而且线程本身也会占用额外的系统资源

除了线程外，我们还可以使用基于事件驱动的 selectors 来实现多个连接的并发，或者通过更高层的 asyncio 来实现异步的 socket 代码。

这里不再介绍

8.4 简易HTTP服务器

那么 HTTP 服务器是如何实现的呢？

HTTP 是 TCP 协议的典型应用，也是 浏览器和 服务器交互的主要方式

服务器通常监听80端口，然后等待客户端连接

前面我们也介绍了，客户端发送请求报文，服务发送响应报文

我们随便写一个 html 的页面，然后存到我们的工作目录下

• 主函数体我们切换下工作目录
• 然后和前面一样，死循环监听

if __name__ == "__main__":# Change working directory to script folderos.chdir(os.path.dirname(os.path.abspath(__file__)))with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) as s:s.bind(("0.0.0.0", 1234))s.listen()while True:c, addr = s.accept()t = threading.Thread(target=handle_client, args=(c, addr))t.start()

服务逻辑：

• 接收 http 头部
• 如果没有指定文件，我们就重定向到 之前写的html文件
• 尝试打开目标文件，读取内容
• 返回内容
• 如果文件不存在，返回404

def handle_client(c, addr):print(addr, 'connected.')with c:request = c.recv(1024)# parse HTTP headersheaders = request.split(b"\r\n")file = headers[0].split()[1].decode()# Load file contentif file == "/":file = "/index.html"try:with open(WEBROOT + file, "rb") as f:content = f.read()response = b"HTTP/1.0 200 OK\r\n\r\n" + contentexcept FileNotFoundError:response = b"HTTP/1.0 404 NOT FOUND\r\n\r\nFile not found!"# Send HTTP responsec.sendall(response)

我们可以在浏览器内输入服务器 IP地址 + 端口号来发送请求

结果：

如果我们指定了一个不存在的文件：

九、TCP 套接字编程

通过 P8，大致了解了服务器和客户端之间是如何通过 Sokcet 来传输报文的。下面进入大黑书关于这一部分的内容。

9.1 Socket 编程

应用进程使用传输层提供的服务才能够交换报文，实现应用协议，实现应用

• TCP / IP：应用进程使用Socket API 访问传输服务
• 地点：界面上的SAP（Socket）方式：Socket API

目标“：学习如何构建能借助 socket 进行通信的 C/S 应用程序

socket：分布式应用进程之间的门，传输层协议提供的端到端服务接口

2种传输层服务的socket类型：

• TCP：可靠的、字节流的服务
• UDP：不可靠（数据UDP数据包）服务

9.2 TCP套接字编程

套接字：应用进程与端到端传输协议（TCP或UDP）之间 的门户

TCP服务：从一个进程向另一个进程可靠地传输字节流

服务器首先运行，等待连接建立

1.服务器进程必须先处于运行状态

1. 创建欢迎socket
2. 和本地端口捆绑（bind）
3. 在欢迎socket 上阻塞式等待接收用户的连接

客户端主动和服务器建立连接：

2. 创建客户端本地套接字（隐式捆绑到本地）
   1. 指定服务器进程的IP地址和端口号，与服务器进程连接
3. 当与客户端连接请求到来时
   1. 服务器**接受（accept）**来自用户端的请求，解除阻塞式等地，返回一个新的sokcet（与欢迎 socket 不一样），与客户端通信
      1. 允许服务器与多个服务器通信
      2. 使用源IP和源端口来区分不同的客户端
4. 连接API调用有效时，客户端 P 与 服务器建立了TCP连接

从应用程序的角度

TCP在客户端和服务器进程之间 提供了可靠的、字节流（管道）服务

C/S模式的应用样例：

1. 客户端从标准输入装置 读取一行字符，发送给服务器
2. 服务器从 socket 读取字符
3. 服务器将字符转换成大写，然后返回给客户端
4. 客户端从socket中读取一行字符，然后打印出来

实际上，这里描述了C-S之间交互的动作次序

下面这个交互过程的例图其实就和我们前面写的python程序差不多

9.3 数据结构 sockaddr_in

IP 地址和 port 捆绑关系的数据结构（标示进程的端节点）

这个和 python 中的命名很类似，意义不再赘述

struct sockaddr_in{short sin_family;	// AF_INTEu_short sin_port;	// portstruct in_addr sin_addr;	// IP address, unsigned longchar sin_zero[8];	// align
};

9.4 数据结构 hostent

域名和IP地址的数据结构

struct hostent {char *h_name;char **h_aliases;	// 域名别名int h_addrtype;int h_length;		// 地址长度char **h_addr_list;			// IP 地址列表#define h_addr h_addr_list[0];		// 解析后的IP地址
};

hostent 作为调用域名解析函数时的参数，返回后，将 IP 地址拷贝到 socketaddr_in 的 IP 地址部分

9.5 例子：C客户端(TCP)

• sockaddr：存 服务器 IP 和 相应端口号
• clientSocket：客户端 socket，就是一个整数
• prth：指向一个 hostent 对象的指针
• Sentence / modifiedSentence：
• host：服务器域名
• port：端口号（atoi：ascii to int，即str to int）
• 然后创建 socket：指定地址族PF_INET，SOCK_STREAM等
  • 清空sad，然后对其赋值
  • 通过host 来初始化 ptrh（hostname to IP address）
  • 拿到ptrh后，把IP放到 sad内
• 然后建立连接

整个过程：

9.6 例子：C服务器(TCP)

• sad：服务器 IP 及 port
• cad：客户端 IP 及 port
• welcomeSocket / connectionSocket：欢迎socket 和 建立连接后的新socket
• ptrh：和前面类似
• port：端口号
• 初始化welcomeSocket
  • 然后清空sad，对其初始化（本地 IP，Port）
• 进行 bind（IP，Port）
• 然后 阻塞，等待连接
  • accept，建立 connectionSocket
  • 读 报文 到 clientSentence
  • 将 capitalizedSentence 写回
• 关闭 socket

当然，这个逻辑每次只能进行一个客户端的通信，并发通信的方式自行了解

十、UDP 套接字编程

UDP：在客户端和服务器之间 没有连接

• 没有握手
• 发送端在每一个报文中明确地指定目标的IP地址和端口号
• 服务器必须从收到的分组中提取出发送端的IP地址和端口号

UDP：传送的数据可能乱序，也可能丢失

进程视角看UDP服务

UDP 为客户端和服务器提供不可靠的字节组的传送服务

10.1 Client/server socket 交互：UDP

• 服务器创建socket，然后进行bind
• 和 TCP 不同的是，这里没有了connect 步骤
  • Client 直接发送数据报
• 服务器读请求
• 服务器应答
• 客户端读应答

10.2 样例：C客户端（UDP）

流程描述：

1.3 样例：C服务器(UDP)

流程描述：