1、1,第2講: 應(yīng)用層,本講目標(biāo): 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的概念和實(shí)現(xiàn) 客戶端-服務(wù)器范式 服務(wù)模型 通過對(duì)常用應(yīng)用層協(xié)議的探討和分析來學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 教科書參考 第9章,深層次目標(biāo) 特定協(xié)議: http ftp smtp pop dns,2,應(yīng)用程序和應(yīng)用層協(xié)議,應(yīng)用程序:溝通, 分布式的進(jìn)程 運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)主機(jī)中的 “用戶空間” 在應(yīng)用程序間交換報(bào)文 e.g., email, ftp, Web 應(yīng)用層協(xié)議： 應(yīng)用層的一個(gè)“組成部分” 定義應(yīng)用程序需交換的報(bào)文 和所需采取的動(dòng)作 使用較低層次所提供的通信服務(wù) (TCP, UDP),3,網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序: 一些術(shù)語,進(jìn)程(Process): 主機(jī)中運(yùn)行中的程序. 在某

2、些主機(jī)中, 兩個(gè)進(jìn)程使用進(jìn)程間通信 (由 OS管理). 而運(yùn)行在不同主機(jī)上的進(jìn)程則使用應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行通信,用戶代理（User agent）: 軟件進(jìn)程, 是介于用戶（ above ）和網(wǎng)絡(luò)（ below ）之間的接口 實(shí)現(xiàn)應(yīng)用級(jí)協(xié)議 Web: 瀏覽器 E-mail: OE、Foxmail 流媒體: media player,4,客戶端-服務(wù)器范式,典型的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用都是由兩個(gè)部分組成: 客戶端 和 服務(wù)器,客戶端: 發(fā)起同服務(wù)器的聯(lián)系 (“speaks first”) 一般都從服務(wù)器請(qǐng)求服務(wù), Web: 客戶端由瀏覽器實(shí)現(xiàn); e-mail: 通過OE、Foxmial實(shí)現(xiàn),服務(wù)器: 向客戶端提供所請(qǐng)

3、求的服務(wù) e.g., Web 服務(wù)器發(fā)送被請(qǐng)求的 Web 頁面, 郵件服務(wù)器傳遞 e-mail,5,應(yīng)用層協(xié)議(續(xù)),應(yīng)用程序接口（API: application programming interface） 定義應(yīng)用層和傳輸層間的接口 插口（socket: Internet API） 兩個(gè)進(jìn)程間的通信， 將數(shù)據(jù)送入 socket, 或從socket 讀出數(shù)據(jù),Q: 某個(gè)進(jìn)程如何“認(rèn)定”另一個(gè) 需要與之通信的進(jìn)程? IP 地址-運(yùn)行另一個(gè)進(jìn)程的主機(jī)所擁有的 “端口號(hào)（PORT #）” 允許接收主機(jī)來確定的一個(gè)標(biāo)識(shí)，本地進(jìn)程將報(bào)文發(fā)送給它 教科書p232-234,6,應(yīng)用進(jìn)程需要怎樣的傳輸服務(wù)

4、?,數(shù)據(jù)丟失（Data loss） 某些應(yīng)用 (e.g., audio) 可以容忍某種程度上的數(shù)據(jù)丟失 其他應(yīng)用 (e.g., 文件傳輸, telnet) 要求 100% 可靠的數(shù)據(jù)傳輸,實(shí)時(shí)性（Timing） 某些應(yīng)用(e.g., IP 電話, 交互式游戲) 要求較低的時(shí)延,帶寬（Bandwidth） 某些應(yīng)用(e.g., 多媒體) 對(duì)最低帶寬有要求 其他應(yīng)用(“彈性應(yīng)用”) 則可靈活應(yīng)用所能得到的帶寬,7,常用應(yīng)用程序?qū)鬏敼δ艿囊?應(yīng)用程序 文件傳輸 e-mail Web 網(wǎng)頁 實(shí)時(shí)音頻/視頻 存儲(chǔ)音頻/視頻 交互式游戲 金融應(yīng)用,數(shù)據(jù)丟失 不丟失 不丟失 不丟失 允許丟失 允許丟失

5、允許丟失 允許丟失 不丟失,帶寬 彈性 彈性 彈性 音頻: 5Kb-1Mb 視頻:10Kb-5Mb 同上 幾 Kb/s 以上 彈性,實(shí)時(shí)性 無 無 無 100s msec few secs 100s msec yes and no,8,Internet 的傳輸協(xié)議服務(wù),TCP 服務(wù): 面向連接: 在客戶端和服務(wù)器進(jìn)程之間需要建立連接（setup ） 可靠傳輸 : 在發(fā)送和接受進(jìn)程之間 流量控制: 發(fā)送數(shù)據(jù)的速度決不超過接收的速度 擁塞控制: 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)超負(fù)荷時(shí)，束緊發(fā)送端口，減緩發(fā)送速度 不提供: 實(shí)時(shí)性, 最小帶寬承諾,UDP服務(wù): 在客戶端和服務(wù)器進(jìn)程之間實(shí)現(xiàn)“不可靠的”數(shù)據(jù)傳輸 不提供:連接

6、建立, 可靠性保證,流量控制,擁塞控制,實(shí)時(shí)性, 最小帶寬承諾 Q: 既生喻，何生亮? Why is there a UDP?,9,Internet應(yīng)用: 應(yīng)用, 傳輸協(xié)議,應(yīng)用 e-mail 遠(yuǎn)程終端訪問 Web 文件傳輸 流媒體 遠(yuǎn)程文件服務(wù)器 IP電話,應(yīng)用協(xié)議 smtp RFC 821 telnet RFC 854 http RFC 2068 ftp RFC 959 專有協(xié)議 (e.g. RealNetworks) NSF 專有協(xié)議 (e.g., Vocaltec),所依賴的傳輸協(xié)議 TCP TCP TCP TCP TCP or UDP TCP or UDP typically UDP

7、,10,http 協(xié)議,http: TCP 傳輸服務(wù): 客戶端啟動(dòng)TCP連接(創(chuàng)建插口) 到服務(wù)器, 端口 80 服務(wù)器接受來自客戶端的 TCP 連接 http 報(bào)文(應(yīng)用層協(xié)議報(bào)文) 在瀏覽器 (http client) 和Web服務(wù)器(http server)之間進(jìn)行交換 關(guān)閉TCP 連接,http 是 “無狀態(tài)（stateless）”的 服務(wù)器不保留任何訪問過的請(qǐng)求信息,保留狀態(tài)的協(xié)議很復(fù)雜喲! 過去的歷史 (狀態(tài)) 需要保留 一旦瀏覽器/服務(wù)器崩潰, 它們各自的狀態(tài)視圖就會(huì)發(fā)生分歧，還需要重新核對(duì),小評(píng)論,11,Web: http 協(xié)議,超文本傳輸協(xié)議（http: hypertext

8、transfer protocol） 萬維網(wǎng)應(yīng)用協(xié)議 客戶端/服務(wù)器模式 客戶端: 瀏覽器請(qǐng)求、接收、展示 Web對(duì)象（ objects） 服務(wù)器: Web 服務(wù)器發(fā)送對(duì)象對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng) http1.0: RFC 1945 http1.1: RFC 2068,PC running Explorer,Server running NCSA Web server,Mac running Navigator,http request,http request,http response,http response,12,http 舉例,假設(shè)用戶鍵入了一個(gè) URL www.someS

9、/someDepartment/home.index,1a. http 客戶端啟動(dòng) TCP 連接到www.someS上的http 服務(wù)器 (進(jìn)程). Port 80 是 http 服務(wù)器的默認(rèn)端口.,2. http客戶端發(fā)送 http 請(qǐng)求報(bào)文 (包括URL) 進(jìn)入 TCP 連接插口（socket）,1b. 在www.someS 上的http 服務(wù)器在 port 80 等待 TCP 的連接請(qǐng)求. “接受” 連接并通知客戶端,3. http 服務(wù)器接收到請(qǐng)求報(bào)文, 形成 響應(yīng)報(bào)文（ 包含了所請(qǐng)求的對(duì)象 ，someDepartment/home.index),

10、將報(bào)文送入插口（ socket）,time,(該網(wǎng)頁包含文本并引用了10 jpeg 圖片),13,http 舉例 (續(xù).),5. http 客戶端接收到了包含html文件的響應(yīng)報(bào)文。 分析 html 文件, 發(fā)現(xiàn) 10 個(gè)引用的 jpeg 對(duì)象,6. 對(duì)10 jpeg objects 逐個(gè)重復(fù)1-5 步,4. http 服務(wù)器關(guān)閉 TCP 連接.,time,14,非持續(xù)和持續(xù)連接,（非持續(xù)連接）Non-persistent http/1.0: 服務(wù)器分析請(qǐng)求、響應(yīng)、關(guān)閉 TCP 連接 取對(duì)象需要2 RTTs TCP 連接 對(duì)象請(qǐng)求/傳送 每次傳送都要受到TCP連接初始化時(shí)的慢啟動(dòng)影響 許多瀏覽

11、器同時(shí)打開多個(gè)并行的連接來改善性能,（持續(xù)連接）Persistent http/1.1的默認(rèn)設(shè)置 在同一TCP 連接上: 服務(wù)器分析請(qǐng)求、響應(yīng)請(qǐng)求，分析新的請(qǐng)求、. 客戶端一旦下載到了基本的html文件（ base HTML ）馬上發(fā)送對(duì)所有引用對(duì)象的請(qǐng)求. 較少的 RTTs, 較少的慢啟動(dòng).,15,http 報(bào)文格式: request（請(qǐng)求）,two types of http報(bào)文: request, response http 請(qǐng)求報(bào)文: ASCII (可讀格式),16,http 請(qǐng)求報(bào)文: 一般格式,17,http 報(bào)文格式: response（響應(yīng)）,HTTP/1.0 200 OK D

12、ate: Thu, 06 Aug 1998 12:00:15 GMT Server: Apache/1.3.0 (Unix) Last-Modified: Mon, 22 Jun 1998 . Content-Length: 6821 Content-Type: text/html data data data data data .,狀態(tài)行 (協(xié)議狀態(tài)碼 狀態(tài)短語),首部 諸行,數(shù)據(jù), e.g., 被請(qǐng)求的html文件,18,http 響應(yīng)狀態(tài)碼和短語,200 OK 請(qǐng)求成功, 被請(qǐng)求的對(duì)象在報(bào)文中 301 Moved Permanently 被請(qǐng)求的對(duì)象被移動(dòng)過, 新的位置在報(bào)文中有說明

13、(Location:) 400 Bad Request 服務(wù)器不懂請(qǐng)求報(bào)文 404 Not Found 服務(wù)器上找不到請(qǐng)求的對(duì)象 505 HTTP Version Not Supported,位于（服務(wù)器-客戶端）響應(yīng)報(bào)文的第一行. 樣例:,19,自行測(cè)試 http (客戶端操作),1. 用Telnet 連接測(cè)試用的服務(wù)器（需要預(yù)先登錄UNIX）:,打開 TCP 連接到 port 80 (默認(rèn)的http 服務(wù)器端口) 位于 0 后續(xù)鍵入的內(nèi)容將發(fā)送到0 的 80 號(hào)端口,$telnet 0 80,2. 鍵入一條 http請(qǐng)

14、求報(bào)文:,GET /j1010/hello.htm HTTP/1.0,將該指令鍵入后 (按兩次回車鍵), 就將此最短之 (但是完整的) GET 請(qǐng)求發(fā)到了 http 服務(wù)器,3. 請(qǐng)注意觀察http服務(wù)器發(fā)回的響應(yīng)報(bào)文!,20,用戶-服務(wù)器的交互: 認(rèn)證（authentication）,認(rèn)證 : 控制對(duì)服務(wù)器內(nèi)容的訪問 信用認(rèn)證: 一般通過用戶名, 口令進(jìn)行 無狀態(tài): 客戶端必須在每次請(qǐng)求前進(jìn)行認(rèn)證 authorization: 就是要求在每個(gè)請(qǐng)求報(bào)文中提交認(rèn)證的首部行 如果客戶端沒有提交 authorization: 首部行, 服務(wù)器將拒絕訪問, 只是在響應(yīng)報(bào)文首部中發(fā)送 WWW authe

15、nticate:,client,server,普通 http 請(qǐng)求報(bào)文,401: 認(rèn)證要求 WWW authenticate:,21,Cookies: 保存 “狀態(tài)”,服務(wù)器產(chǎn)生一個(gè) # , 服務(wù)器認(rèn)識(shí)這個(gè) #, 以備不時(shí)之需: 認(rèn)證 記憶用戶的前序訪問, 先前的選擇 服務(wù)器在響應(yīng)報(bào)文中發(fā)送 “cookie” 給客戶端 Set-cookie: 1678453 客戶端可以在后繼的請(qǐng)求中發(fā)送“cookie” cookie: 1678453,client,server,普通 http 請(qǐng)求報(bào)文,普通 http響應(yīng)報(bào)文+ Set-cookie: #,cookie- 特定的,cookie- 特定的,22

16、,Conditional GET: 客戶端緩存機(jī)制,目的: 如果客戶端緩存了最新的請(qǐng)求對(duì)象，則服務(wù)器不必重復(fù)發(fā)送 客戶端: 在http請(qǐng)求報(bào)文中聲明所緩存拷貝的生成日期 If-modified-since: 服務(wù)器: 如果客戶端緩存的拷貝是最新的，則在響應(yīng)報(bào)文中不發(fā)請(qǐng)求的對(duì)象: HTTP/1.0 304 Not Modified,client,server,http請(qǐng)求報(bào)文 If-modified-since: ,對(duì)象未經(jīng)修改,http請(qǐng)求報(bào)文 If-modified-since: ,http響應(yīng)報(bào)文 HTTP/1.1 200 OK ,對(duì)象已 經(jīng)修改,23,Web 緩存：代理服務(wù)器 (prox

17、y server),用戶設(shè)置瀏覽器: Web 訪問經(jīng)由代理服務(wù)器 客戶端發(fā)送所有的 http 請(qǐng)求到代理服務(wù)器 代理服務(wù)器保存了請(qǐng)求的對(duì)象: 代理服務(wù)器返回請(qǐng)求的對(duì)象 否則代理服務(wù)器從原始服務(wù)器請(qǐng)求對(duì)象,再將其返回給客戶端,目的: 滿足客戶端的請(qǐng)求而無需煩擾原始服務(wù)器,client,Proxy server,client,http request,http request,http response,http response,http request,http response,origin server,origin server,24,為何Web緩存?,前提: 緩存與客戶端比較“接近 “

18、(e.g., 在同一網(wǎng)絡(luò)中) 響應(yīng)時(shí)間較短:緩存與客戶端比較“接近 “ 減少了往來與遠(yuǎn)程服務(wù)器間的數(shù)據(jù)流量 因?yàn)閺膶W(xué)校或本地ISP 通往外部的鏈路往往是網(wǎng)絡(luò)瓶頸,origin servers,public Internet,institutional network,10 Mbps LAN,1.5 Mbps access link,institutional cache,25,ftp: 文件傳輸協(xié)議,傳輸文件往來與遠(yuǎn)程主機(jī) 客戶端/服務(wù)器模式 客戶端: 啟動(dòng)傳輸 (無論與往來遠(yuǎn)程主機(jī)) 服務(wù)器: 遠(yuǎn)程主機(jī) ftp: RFC 959 ftp 服務(wù)器: 端口 21,26,ftp: 分離的控制, 數(shù)

19、據(jù)連接,ftp客戶端在 ftp 服務(wù)器的 端口21進(jìn)行聯(lián)系, 使用TCP作為傳輸協(xié)議 打開兩個(gè)并行的連接: 控制:在客戶端和服務(wù)器之間交換命令, 響應(yīng)。稱為帶外控制： “out of band control” 數(shù)據(jù): 往來于服務(wù)器的文件 ftp 維持狀態(tài) （state）: 當(dāng)前目錄、先前的認(rèn)證信息等,27,ftp 命令, 響應(yīng),樣例命令: 在控制通道上傳送的ASCII文本 USER username（登錄） PASS password（登錄） LIST （返回當(dāng)前目錄中的文件列表） RETR filename （取 (gets) 文件） STOR filename （存(puts) 文件到遠(yuǎn)

20、程主機(jī)）,返回碼樣例 狀態(tài)碼和短語 (同 http) 331 Username OK, password required 125 data connection already open; transfer starting 425 Cant open data connection 452 Error writing file,28,電子郵件,四個(gè)重要組件: 用戶代理 郵件服務(wù)器 簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議: smtp 郵局協(xié)議：pop 用戶代理 寫作, 編輯, 閱讀郵件報(bào)文 e.g., Foxmail, OE, elm, Netscape Messenger 外發(fā), 接收的報(bào)文存儲(chǔ)在郵件服務(wù)器中,

21、用戶郵箱,外發(fā)報(bào)文隊(duì)列,29,電子郵件:郵件服務(wù)器,Mail Servers 郵箱 包含了收到的用戶郵件 (尚未被閱讀) 報(bào)文 隊(duì)列包含了外發(fā)的 郵件報(bào)文 smtp 協(xié)議用在郵件服務(wù)器之間發(fā)送郵件 客戶端: 將郵件發(fā)送到郵件服務(wù)器 “服務(wù)器”: 接收和轉(zhuǎn)發(fā)郵件,30,電子郵件: smtp RFC 821,使用 tcp 可靠的傳送郵件報(bào)文, 端口25 直接傳輸: 發(fā)送服務(wù)器到接收服務(wù)器 傳輸?shù)娜齻€(gè)階段 握手(打招呼) 報(bào)文傳輸 結(jié)束 命令/響應(yīng)交互 命令: ASCII文本 響應(yīng): 狀態(tài)碼和短語 郵件報(bào)文必須使用7-bit ASCII表示,31,smtp 交互樣例（在UNIX中用telnet）,S

22、: 220 X1 NT-ESMTP Server C: HELO S: 250 hello C: MAIL FROM: S: 250 ok C: RCPT TO: S: 250 ok its for C: DATA S: 354 ok, send it; end with . C: Hi, I am in XUJI now,Where are you? C: . S: 250 Message queued C: QUIT S: 221 Goodbye,32,自測(cè) smtp 交互:,$telnet 70 25 見到郵件服務(wù)器的 220 響應(yīng)后 鍵入 HELO, MAIL

23、FROM, RCPT TO, DATA, QUIT 命令 上述過程可以不使用用戶代理，就能直接將電子郵件發(fā)送出去（因?yàn)槟壳按蟛糠粥]件服務(wù)器的交互過程趨于復(fù)雜，本試驗(yàn)不一定都能進(jìn)行）。,33,smtp: 評(píng)述,smtp 使用持續(xù)連接 smtp 要求報(bào)文 (首部 parameters,Text 子類型樣例: plain, html Image 子類型樣例: jpeg, gif Audio 子類型樣例: basic (8-bit mu-law encoded), 32kadpcm (32 kbps coding),Video 子類型樣例: mpeg, quicktime Application 需使

24、用其他閱讀器的數(shù)據(jù) 子類型樣例: msword, octet-stream,37,MIME多分部類型,From: alicecrepes.fr To: Subject: Picture of yummy crepe. MIME-Version: 1.0 Content-Type: multipart/mixed; boundary=98766789 -98766789 Content-Transfer-Encoding: quoted-printable Content-Type: text/plain Dear Bob, Please find a pict

25、ure of a crepe. -98766789 Content-Transfer-Encoding: base64 Content-Type: image/jpeg base64 encoded data . . .base64 encoded data -98766789-,38,郵件訪問協(xié)議,SMTP: 發(fā)送/存儲(chǔ) 到接收方的服務(wù)器 郵件訪問協(xié)議: 從服務(wù)器中取信 POP: Post Office Protocol RFC 1939 認(rèn)證 (agent server) 和下載 IMAP: Internet Mail Access Protocol RFC 1730 更多功能(更為復(fù)雜)

26、 在服務(wù)器中操作存儲(chǔ)在那里的報(bào)文 HTTP: Hotmail , Yahoo! Mail, ,etc.,SMTP,POP3 or IMAP,receivers mail server,39,POP3 協(xié)議,認(rèn)證階段 客戶端命令: user: 用戶名 pass: 口令 服務(wù)器響應(yīng) +OK -ERR 交互階段, 客戶端: list: 列出報(bào)文號(hào)碼 retr: 用報(bào)文號(hào)碼取信 dele:用報(bào)文號(hào)碼刪信 quit,C: list S: 1 498 S: 2 912 S: . C: retr 1 S: S: . C: dele 1 C: retr 2 S: S: . C: dele 2 C: quit

27、S: +OK POP3 server signing off,S: +OK POP3 server ready C: user alice S: +OK C: pass hungry S: +OK user successfully logged on,40,DNS: 域名系統(tǒng),自然人: 諸多定義: 身份證, 姓名, 護(hù)照 # 因特網(wǎng)主機(jī), 路由器: IP 地址 (32 bit) 用于數(shù)據(jù)報(bào)尋址 “域名”, e.g., 幫助記憶 Q: IP 地址和域名之間如何映射(轉(zhuǎn)換) ?,Domain Name System: 分布式數(shù)據(jù)庫：由許多域名服務(wù)器按層次構(gòu)成 應(yīng)用層協(xié)議： 主機(jī)、路由器、域名服務(wù)

28、器互相通信進(jìn)行域名解析 (地址/域名翻譯) 注意: 因特網(wǎng)之核心功能, 應(yīng)用層之協(xié)議 網(wǎng)絡(luò)“邊緣”上之復(fù)雜實(shí)體,41,DNS name servers,沒有服務(wù)器能夠保存所有 Name-to-IP 地址的映射 本地域名服務(wù)器: 每個(gè) ISP, 企業(yè)可擁有 本地(默認(rèn)) 域名服務(wù)器 主機(jī)的 DNS 查詢首先發(fā)往本地域名服務(wù)器 授權(quán)域名服務(wù)器: 每臺(tái)主機(jī)必須在授權(quán)服務(wù)器上注冊(cè)登記 可完成域名/地址的轉(zhuǎn)換,為什么不搞集中的DNS? 單點(diǎn)失敗的問題 數(shù)據(jù)的流通量 遠(yuǎn)程集中式的數(shù)據(jù)庫 維護(hù)問題 難以與時(shí)俱進(jìn)，跟不上發(fā)展!,42,DNS: 根域名服務(wù)器,當(dāng)本地域名服務(wù)器不能解析時(shí)，就向根域名服務(wù)器查詢 根

29、域名服務(wù)器: 如果域名映射未知，則向授權(quán)域名服務(wù)器查詢 取得映射 將映射返回本地域名服務(wù)器,遍布世界各地的13個(gè)根域名服務(wù)器,43,簡(jiǎn)單 DNS 舉例,主機(jī) 要求 的IP 地址 1. 聯(lián)系本地域名服務(wù)器, 0 2.如有必要0 會(huì)聯(lián)系根域名服務(wù)器 3.如有必要根域名服務(wù)器會(huì)聯(lián)系授權(quán)域名服務(wù)器, ,requesting host ,,root name server,authorititive name server ,1,2,3,4

30、,5,6,44,DNS 舉例,根域名服務(wù)器: 可能不知道授權(quán)域名服務(wù)器的地址 可能知道中介域名服務(wù)器: 由它負(fù)責(zé)聯(lián)系授權(quán)域名服務(wù)器,requesting host ,,root name server,1,2,3,4,5,6,authoritative name server ,7,8,45,DNS: 迭代查詢,遞歸查詢: 對(duì)根域名服務(wù)器造成工作負(fù)擔(dān) 如何減負(fù)? 迭代查詢: 被查詢的服務(wù)器直接把可查詢的服務(wù)器地址報(bào)回 “不懂這個(gè)域名, 但可以從這個(gè)服務(wù)器查到”,requesting host surf.eurecom.fr,ga