【计算机网络】第2章：应用层—应用层协议原理

[1. 网络应用的体系结构](#1. 网络应用的体系结构)

[2. 客户-服务器（C/S）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](#3. 对等体（P2P）体系结构)

[4. C/S 和 P2P 体系结构的混合体](#4. C/S 和 P2P 体系结构的混合体)

Napster

即时通信

[5. 进程通信](#5. 进程通信)

[6. 分布式进程通信需要解决的问题](#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）](#7. 问题1：对进程进行编址（addressing）)

[8. 问题2：传输层提供的服务](#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](#9. TCP 套接字（Socket）详解)

[10. TCP socket](#10. TCP socket)

[11. 问题2：传输层提供的服务-层间信息代码](#11. 问题2：传输层提供的服务-层间信息代码)

[UDP Socket](#UDP Socket)

[12. UDP之上的套接字（Socket）](#12. UDP之上的套接字（Socket）)

[13. UDP socket](#13. UDP socket)

[14. 套接字（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](#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](#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）
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