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2022-09-08
目录

应用层

# 应用层协议原理

互联网流行的应用层协议：

  • HTTP
  • FTP
  • SMTP/POP3/IMAP
  • DNS

网络应用的例子：

  • E-mail
  • Web
  • 文本消息
  • 远程登录
  • P2P共享文件
  • 即时通讯
  • 多用户网络游戏
  • 流媒体
  • Internet电话
  • 实时电视会议
  • 社交网络
  • 搜索
  • ......

网络应用的体系架构

  • 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

# 套接字

套接字用于解决分布式进程的通信（即不同主机间进程的通信）。同一主机内的进程，使用进程间通信机制通信（操作系统定义）。

# 对进程进行编址

一个进程：用IP+PORT标示端节点。本质上，一对主机进程之间的通信由2个端节点构成。

一些知名端口号的例子：

  • HTTP:TCP 80
  • Mail：TCP 25
  • FTP：TCP 21

# 传输层提供的服务

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层间接口必须要携带的信息：源IP、源TCP（UDP）端口号、目标IP和目标TCP（UDP）端口号

# TCP 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示

  • 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要指定这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

# UDP 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(另外一个段节点)

# 传输层给应用层提供的服务

应用层需要传输层提供的服务？如何描述传输层的服务？

  • 数据丢失率
  • 吞吐
  • 延迟
  • 安全

# internet传输层提供的服务

# TCP服务

  • 可靠的服务
  • 流量控制：发送方不会淹没接收方
  • 拥塞控制：当网络拥塞时，能抑制发送方
  • 面向连接：要求客户端进程与服务端进程之间建立连接
  • 不能提供的服务：时间保证、最小吞吐量和安全

# UDP服务

  • 不可靠的数据传输
  • 不提供的服务：可靠，流量控制、拥塞控制、时间、宽带保证、建立连接

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

# 安全TCP

TCP & UDP

  • 都没有加密
  • 明文通过互联网传输，甚至密码

SSL

  • 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

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

# HTTP（超文本传输协议）

  • 使用TCP
  • HTTP是无状态的

# HTTP连接

非持久HTTP

  • 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（客户端和服务器之间）TCP连接上传输
  • HTTP/1.1默认使用持久连接

# HTTP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

# HTTP响应状态码

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

# DNS（Domain Name Server）

DNS负责域名与IP地址的转换。

# DNS的总体思路和目标

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

# 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)

type说明：

  • type=A（A记录）

    • name为主机名【即域名】
    • value为IP地址

  • 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【即真正的域名】

  • type=NS

    • name为域名（如foo.com）【子域名字】
    • value为该域名的权威服务器的域名【子域名字服务器的名字】

  • 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

# DNS大致工作过程

  • 应用调用解析器（resolver）
  • 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）

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# 名字服务器及其查询方式

# 名字服务器

  • 本地名字服务器（Local Name Server）
    • 无严格的分层结构
  • 名字服务器（Name Server）
    • 名字服务器的解析过程
      • 目标名字存在Local Name Server中
        • 情况1：查询的名字在该区域中
        • 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

# 查询方式

  • 递归查询
  • 迭代查询

# Socket编程

# UDP Socket

==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

image-20220407203013237

  • udpClient.py

    from socket import *

server_name = 'localhost'
server_port = 12000

# 创建UDP Socket
client_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)

# 输入需要传输的信息
message = input(">")
# 将服务器名称、端口附加到消息；发送到socket
client_socket.sendto(message.encode(), (server_name, server_port))
# 将套接字中的应答字符读到字符串
modified_message, server_address = client_socket.recvfrom(2048)
# 打印结果
print(modified_message.decode())
client_socket.close
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  • udpServer.py

    from socket import *

server_port = 12000
# 创建UDP Socket
server_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)
# 绑定本地端口号12000
server_socket.bind(("", server_port))
print("The server is ready to receive")

while True:
    # 从socket中接收消息和客户端地址（IP和端口号）
    message, client_address = server_socket.recvfrom(2048)
    modified_message = message.decode().upper()
    server_socket.sendto(modified_message.encode(), client_address)
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# TCP Socket

==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

  • 创建欢迎socket
  • 和本地端口捆绑
  • 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port）

  • 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

  • 服务器接受来自用户端的请求，解除阻塞式等待，返回一个新的socket（与欢迎socket不一样），与客户端通信
  • 允许服务器与多个客户端通信
  • 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

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  • tcpClient.py

    from socket import *

server_name = "localhost"
server_port = 12000

# 为远程服务器创建TCP Socket
client_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
client_socket.connect((server_name, server_port))

sentence = input(">")
# No need to attach server name, port
client_socket.send(sentence.encode())
modified_sentence = client_socket.recv(1048)
print('From Server:', modified_sentence.decode())
client_socket.close()
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  • tcpServer.py

    from socket import *

server_port = 12000

# 创建TCP Welcome Socket
server_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
server_socket.bind(('', server_port))
# server begins listening for incoming TCP requests
server_socket.listen(1)
print('The server is ready to receive')

while True:
    # server waits on accept() for incoming requests, new socket created on return
    connection_socket, addr = server_socket.accept()

    # read bytes from socket (but not address as in UDP)
    sentence = connection_socket.recv(1024).decode()

    capitalized_sentence = sentence.upper()

    # close connection to this client (but not welcoming socket)
    connection_socket.send(capitalized_sentence.encode())

    connection_socket.close()
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#应用层
上次更新: 2024/05/29, 06:25:22
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