【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
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
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
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
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
6. 分布式进程通信需要解决的问题
- 进程标示和寻址问题（服务用户）
- 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）
- 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
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
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
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）
- 本地意义的2元组标识：
- 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