1. 前言

网络应用是计算机网络存在的理由。本章学习定义关键的应用层概念，包括应用程序所需要的网络服务、客户和服务器、进程和传输层接口；学习几种网络应用程序，包括 Web、FTP、Email、DNS、P2P 和 CDN；开发运行在 TCP 和 UDP 上的网络应用程序。

2. 正文

2.1 应用层协议原理

• 研发网络应用程序的核心

  写出能够运行在不同的端系统上的程序；

  程序可以通过网络彼此通信。

• 网络核心中没有应用层软件

  网络核心是由分组交换机（包括三层设备路由器和两层设备链路交换机）和链路构成的网状网络，主要作用是数据交换。

  网络核心设备不在应用层上起作用，而只在网络层及下面层次起作用。

  好处：将应用软件限制在端系统，促进了大量的网络应用程序的迅速研发和部署。

• 应用程序体系结构（application architecture）

  • 客户-服务器体系架构（client-server architecture）

    服务器是总是打开的主机，处理来自称为客户的主机的请求：收到客户对某对象的请求时，把客户请求的对象作为响应返回给客户机。

    客户机的 IP 地址可能是动态的；客户机之间不直接通信。

    服务器具有固定的、知名的地址（即 IP 地址）。

    优点：服务器总是打开，方便客户获取到数据服务。

    缺点：可扩展性差，可靠性比较差。一台服务器难以应对大量的客户请求，这时需要配备拥有大量主机的数据中心，来构建强大的虚拟服务器。

    例子：Web、FTP、Telnet 和 Email。

  • P2P 体系结构（peer to peer architecture）

    对位于数据中心的专用服务器具有最小的（或者没有）依赖。

    应用程序在间断连接的主机对之间使用直接通信，这些主机对就被称为对等方。

    每个主机既可以作为客户也可以作为服务器。

    优点：自扩展性（self-scalability），可以为系统增加服务能力，可以降低成本（不需要庞大的服务器基础设施和服务器带宽），马太效应。

    缺点：由于高度非集中式结构，面临安全性、性能和可靠性等挑战。

    例子：迅雷，BitTorrent，Skype。

  • 混合体系结构（客户-服务器体系结构和对等体系结构）

    Napster 应用

    进行文件搜索时，是集中的：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。

    进行文件传输时，是 P2P 的：在任意对等体（peer）之间进行传输，无需经过中心服务器。

    即时通信应用

    在线检测时，是集中的：当用户上限时，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。

    两个用户之间聊天时，是 P2P 的：在任意对等体（peer）之间进行传输，无需经过中心服务器。

• 进程通信

  当多个进程运行在相同的端系统上时，它们使用端系统上的操作系统的进程间通信机制（如 Windows 上的剪贴板、管道和邮槽，Linux 上的命名管道、共享内存、信号量，Android 上的 Binder）相互通信。

  当多个进程运行在不同的端系统上时，它们需要通过跨越计算机网络交换报文而相互通信：发送进程生成并向网络中发送报文，接收进程接收这些报文并可能通过回送报文进行响应。

• 客户和服务器进程

  在一对进程之间的通信会话场景中，发起通信（即在该会话开始时发起与其他进程的联系）的进程是客户端进程，在会话开始时等待联系的进行是服务器进程。

  虽然在 P2P 架构应用中，一个进程既能是客户端又能是服务端，但是在给定的一对进程之间的通信会话场景中，一个进程仍是客户端，另一个进程是服务端。

• 分布式进程需要解决的问题

  1. 进程标识和寻址问题（和谁通信）
  2. 传输层如何向应用层提供服务（依赖什么实现传输）
  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，继而实现应用？（传输规范，协议）

• 进程标识和寻址问题

  标识接收进程，需要定义两种信息：主机的地址（这由 IP 地址来标识）；在目的主机中指定接收进程的标识符（这由端口号来标识，TCP 端口号和 UDP 端口号是不同的），即使用 ip + port 的组合来标识一个端节点。

  知名端口号列表见：https://www.iana.org/assignments/service-names-port-numbers/service-names-port-numbers.xhtml

• 传输层如何向应用层提供服务的问题

  应用层需要将信息通过层间接口交给传输层，传输层需要将信息通过层间接口交给应用层，这些信息包括：要传输的报文（即 SDU）（发什么），发送方进程的标识：IP + TCP/UDP port（谁发的），接收方进程的标识：IP + TCP/UDP port（发给谁）。

  传输层实体会把来自应用层或者网络层的 SDU 进行 TCP 报文段（或 UDP 数据段）的封装。

  为了减少穿过层间接口的信息量和便于管理，使用一个代号表示通信的双方或单方，这个代号就是 socket，它是一个整数，这是一个本地标识。

  对于使用 TCP 的应用而言，socket 是四元组（源IP，源端口，目标IP，目标端口）的一个具有本地意义的标识：在会话关系建立时，源主机和目标主机就在本地维护一个 socket（就是一个整数）和四元组的映射关系；之后，穿过层间接口的信息将是要传输的报文（发什么）和会话关系的标识 socket。

  对于使用 UDP 的应用而言，socket 是二元组（源IP，源端口）的一个具有本地意义的标识：穿过层间接口的信息将是要传输的报文（发什么），标识本地 IP 和本地 port 的 socket，对方进程的标识：IP + port（发给谁）。

  进程通过一个称为套接字（socket）的软件接口向网络发送报文和从网络接收报文。由于这个套接字是建立网络应用程序的可编程接口，因此也把它称为应用程序和网络之间的应用程序编程接口（Application Programming Interface，API）。

  参考：网络编程 socket详解 TCP socket和UDP socket

• 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，继而实现应用？

  定义应用层协议：定义运行在不同的端系统上的应用程序进程如何相互传递报文。包括交换的报文类型（例如请求报文和响应报文），各种报文类型的语法（例如报文中的各个字段及其描述），字段的语义（即字段的信息的含义），确定一个进程何时以及如何发送报文，接收到报文如何响应的规则。

  由 RFC 文档定义的应用层协议位于公共域中，由一些公司定义的应用层协议不公开，是专用的，不位于公共域中。

  应用层协议只是网络应用的一部分，而且是相当重要的一部分。

• 可供应用程序使用的运输服务

  从四个方面对应用程序服务要求进行分类：可靠数据传输（reliable data transfer）、吞吐量、定时和安全性。

  可靠数据传输：确保由应用程序的一端发送的数据正确、完全地交付给该应用程序的另一端。如文件传输，邮件有此要求。

  吞吐量：可用吞吐量就是发送进程能够向接收进程交付比特的速率。

  定时（延时）：一些应用出于有效性考虑，对数据传输有严格的时间限制。

  安全性：机密性，完整性，可认证性。

• Internet 提供的运输层协议：TCP和UDP

  TCP 服务

  1. 可靠的传输服务：通信进程依赖 TCP，能够把所有发送的数据无差错、按适当顺序进行交付。当应用程序的一段将字节流传进套接字时，它能够依靠 TCP 将相同的字节流交付给接收方的套接字，而没有字节的丢失和冗余。

  2. 流量控制：发送方不会淹没接收方。

  3. 拥塞控制：当发送方和接收方之间的网络出现拥塞时，TCP 的拥塞控制会抑制发送进程。

  4. 不能提供的服务：时间保证、最小吞吐保证和安全。

  5. 面向连接的服务：在应用层数据报文开始流动之前，TCP 让客户和服务器相互交换传输层控制信息，这就是握手过程，让客户和服务器为即将到来的大量分组做准备。在握手阶段之后，一个 TCP 连接就在两个进程的套接字之间建立了。这条连接是全双工的，即连接双方的进程可以在此连接上同时进行报文收发。当应用程序结束报文发送时，必须拆除此连接。

  UDP 服务

  1. 不可靠的传输服务
  2. 不提供的服务：流量控制，拥塞控制、时间、带宽保证、建立连接。

• UDP 存在的必要性

  与 TCP 相比，UDP 提供的服务少，但我们不能认为 TCP 比 UDP 好。实际上，UDP 是一种不提供不必要服务的轻量级传输协议，它仅提供最小服务。

  1. 能够区分不同的进程，而 IP 服务不能；
  2. 无需建立连接，即在两个进程通信前没有握手过程，这可以省去建立连接的时间，适合事务性的应用；
  3. 不做可靠性的工作（可靠性是要付出时间代价的），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；
  4. 没有拥塞控制和流量控制，应用能够按照设定的速率发送数据。

• TCP 安全

  无论是 TCP 还是 UDP 都没有提供任何加密机制，数据以明文在互联网中传输，这是不安全的。

  因特网界研发出 TCP 的加强版本，即安全套接字层（Secure Socket Layer，SSL）来解决 TCP 的安全性问题。用 SSL 加强后的 TCP 不仅能够做传统的 TCP 所做的一切，而且提供了关键的进程到进程的安全性服务，包括加密、数据完整性和端点鉴别。

  SSL 虽然是对 TCP 的加强，但是这种强化是在应用层实现的，具体来说，应用程序需要包括 SSL 代码。

  SSL 有它自己的套接字 API，当一个应用使用 SSL 时，发送进程向 SSL 套接字传递明文数据；在发送主机中的 SSL 则加密该数据并将加密的数据传递给 TCP 套接字。加密的数据经因特网传送到接收进程中的 TCP 套接字。该接收套接字将加密数据传递给 SSL，由其进行解密。最后，SSL 通过它的 SSL 套接字将明文数据传递给接收进程。

2.2 Web 和 Http

• Web 术语

  Web 页面（Web page）是由对象组成的。一个对象（object）只是一个文件，可以通过一个 URL 地址寻址。

  多数 Web 页面有一个 HTML 基本文件（base HTML file）以及几个引用对象。

  每个 URL 地址包括两个部分：存放对象的服务器主机名和对象的路径名。

• HTTP 协议

  Web 的应用层协议是超文本传输协议（HyperText Transfer Protocol，HTTP），它是 Web 的核心，HTTP/1.0 在 RFC 1945 进行了定义和 HTTP/1.1在 RFC 2616 中进行了定义。

  HTTP 由两个程序实现：一个客户程序和一个服务器程序。Web 浏览器实现了 HTTP 的客户端，用于请求、接收和显示 Web 对象，Web 服务器实现了 HTTP 的服务器端，用于存储 Web 对象，对客户端请求进行响应，发送 Web 对象。

  HTTP 的默认端口是 80，HTTP 服务器会有一个 Socket 守候在 80 端口（这是一个守候（waiting） socket），等待来自客户端的 TCP 连接。

  HTTP 使用 TCP 作为它的支撑传输协议。HTTP 客户首先发起一个与服务器的 TCP 连接。一旦连接建立，该浏览器和服务器就可以通过各自的套接字接口访问 TCP。

  HTTP 是一个无状态协议（stateless protocol）：HTTP 服务器并不保存关于客户的任何信息。

  维护状态的协议是复杂的：必须维护历史信息（状态）（这是需要消耗空间的）；如果服务器或客户端死机，它们的状态可能不一致，二者的状态必须是一致的；无状态的服务器能够支持更多的客户端。

• HTTP 连接

  往返时间（Round-Trip Time，RTT）是指一个短分组从客户端到服务端然后再返回客户端所花费的时间。

  非持久连接（non-persistent connection）

  1. 每个 TCP 连接在服务器发送一个对象后关闭，每个 TCP 连接只传输一个请求报文和响应报文。
  2. 必须为每一个请求对象建立和维护一个全新的 TCP 连接，每次都需要花费建立 TCP 连接的 1 个 RTT。
  3. 操作系统必须为每个 TCP 连接分配资源。
  4. HTTP/1.0 使用非持久连接。

  持久连接（persistent connection）

  1. 服务器在发送响应后保持 TCP 连接打开，如果这条 TCP 连接在一定时间间隔后没有被使用，HTTP 服务器再关闭该连接。
  2. 在相同的客户和服务端之间的多个对象请求可以在一个 TCP 连接上传输。
  3. 分为流水方式的持久 HTTP 和非流水方式的持久 HTTP。
  4. HTTP/1.1 默认使用持久连接，可以使用 “Connection:” 首部行来设置是否使用持久连接：“Connection: close” 表示不使用持久连接，“Connection: keep-alive” 表示使用持久连接。

• HTTP 报文格式

  • HTTP 请求报文

    GET /somedir/page.html HTTP/1.1
    Host: www someschool.edu
    Connection: close
    User-agent: Mozilla/50
    Accept-language: fr
    

    报文使用普通的 ASCII 文本来书写的，方便查看。

    第一行叫作请求行（request line），请求行有 3 个字段：方法字段、URL 字段和 HTTP 版本字段。在这里，方法字段的值是 GET，URL 字段的值是 /somedir/page.html，HTTP 版本字段的值是 HTTP/1.1。

    请求行后面的几行都是首部行（header line）。

    方法字段可以取不同的值，包括 HTTP/1.0 的 GET，POST，HEAD，HTTP/1.1 的 PUT 和 DELETE。

    请求报文的通用格式：

    

    GET 方法不要有实体体，POST 方法要有实体体。

  • HTTP 响应报文

    HTTP/1.1 200 OK
    Connection: close
    Date: Tue, 18 Aug 2015 15:44:04 GMT
    Server: Apache/2.2.3 (CentOS)
    Last-Modified: Tuer 18 Aug 2015 15:11:03 GMT
    Content-Length: 6821
    Content-Type: text/html
    
    (data data data data data ...)
    

    第一行叫作状态行（status line），包括 3 个字段：协议版本字段、状态码和相应状态信息。

    状态行之后是 6 个首部行。首部行后面是实体体（entity body）。

    “Content-Length: 6821”：采用 TCP 的应用层协议需要自己维护报文和报文的界限，TCP 向上层提供的服务不会区分报文的边界（例如，在发送方发送两个 15k 的报文，在接收方 TCP 可能向上层传输一个 30k 的报文）。应用程序使用 “Content-Length” 来区分报文的边界。

    响应报文的通用格式：

    

• 用户-服务器状态：cookie

  一个 Web 站点希望能够识别用户，或者希望把内容与用户身份联系起来，所以，HTTP 使用了 cookie。cookie 在 RFC6265 中定义，它允许站点对用户进行追踪。

  cookie 技术有 4 个组件：

  1. 在 HTTP 响应报文中的一个 cookie 首部行，如 Set-Cookie: 2022；
  2. 在 HTTP 请求报文中的一个 cookie 首部行，如 cookie: 2022；
  3. 在用户端系统中保留有一个 cookie 文件，并由用户的浏览器进行管理；
  4. 在 Web 站点有一个后端数据库，存放 cookie 对应的表项。

  cookie 会侵害用户隐私。

• Web 缓存

  Web 缓存器（Web cache）也叫代理服务器（Proxy server），是能够代替原始 Web 服务器来满足 HTTP 请求的实体。Web 缓存器有自己的硬盘存储空间，并在存储空间中保存最近请求过的对象的副本。

  配置用户的浏览器，使得用户所有的 HTTP 请求首先指向 Web 缓存器。这样，当浏览器请求对象时：

  1. 浏览器先创建一个到 Web 缓存器的 TCP 连接，并向 Web 缓存器中的对象发送一个 HTTP 请求；
  2. Web 缓存器进行检查，看看本地是否存放了该对象副本。如果有，Web 缓存器就用 HTTP 响应报文向客户浏览器返回该对象；
  3. 如果 Web 缓存器中没有该对象，它就打开一个与该对象的初始服务器的 TCP 连接。Web 缓存器则在这个缓存器到服务器的 TCP 连接上发送一个对该对象的 HTTP 请求。在收到请求后，初始服务器向 Web 缓存器发送具有该对象的 HTTP 响应报文。
  4. 当 Web 缓存器收到该对象时，它在本地存储空间中存储一份副本，并用 HTTP 响应报文向客户的浏览器发送该副本（通过现有的客户浏览器和 Web 缓存器之间的 TCP 连接）。

  好处：大大减少对客户请求的响应时间，减少了通信量，也就降低了费用。

• 条件 GET 方法

  Web 缓存可以减少用户感受到的响应时间，但是如何知道缓存器中的对象副本是否最新的？HTTP 协议提供了一种条件 GET （conditional GET）方法的机制来保证缓存器中的对象副本是最先的。

  一个条件 GET 请求报文要求：① 请求报文使用 GET 方法；② 请求报文中包含一个 “If-Modified-Since:” 首部行。

  Web 缓存向初始服务器请求对象时，会收到包含 “Last-Modified: Wed, 9 Sep 2015 09:23:24” 首部行的响应报文，Web 缓存在存储对象时也会存储对象的最后修改日期；在下次 Web 浏览器再次向 Web 缓存请求相同的对象时，Web 缓存里有这个对象，但是 Web 缓存不知道这个对象是否是最新的，所以 Web 缓存就发送一个条件 GET 请求报文（“If-Modified-Since:” 的值为 Wed, 9 Sep 2015 09:23:24）给初始服务器。初始服务器仅当自指定日期之后该对象被修改过，才会发送新的对象；否则，初始服务器会向 Web 缓存发送一个响应报文：

  HTTP/1.1 304 Not Modified
  Date: Satf 10 Oct 2015 15:39:29
  Server: Apache/1 3 0 (Unix)
  (empty entity body)
  

2.3 FTP

FTP，File Transfer Protocol，文件传输协议，RFC959。

客户端向远程主机上传文件或从远程主机下载文件（上传或下载都是相对于客户端而言的），这样可以多个用户通过网络共享文件；FTP 服务器守候在 21 号端口上。

采用客户/服务器模式：客户端是发起传输的一方；服务器是远程主机。

FTP 客户端首先与 FTP 服务器建立 TCP 控制连接（TCP control connection）；

用户输入用户名和口令（命令：USER，PASS），通过控制连接完成用户身份认证（FTP 是明文传输的）；

完成身份认证后，客户端通过控制连接发送命令浏览远程目录（命令：LIST）；

FTP 服务器收到一个文件传输命令（RETR，STOR）时，服务器会打开一个到客户端的数据连接（即服务器主动与客户端的 20 号端口建立 TCP 数据连接（TCP data connection）），通过数据连接，服务器把文件传输给客户端；

一个文件传输完毕后，FTP 服务器关闭 TCP 连接。

当再次另一个文件传输命令时，服务器会打开第二个到客户端的数据连接。

控制连接：带外（out of bound）传送（带外是不传输数据的意思，带内是传输数据的意思）。

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，所以 FTP 是有状态的协议。

2.4 Email

• 电子邮件系统 3 个主要组成部分

  电子邮件是一种异步通信媒介，即当人们方便时就可以收发邮件，不必与他人的计划进行协调。

  电子邮件系统的 3 个主要组成部分：用户代理（user agent）、邮件服务器（mail server）和简单邮件传输协议（Simple Mail Transfer Protocol，SMTP）。

  

• 用户代理

  又名"邮件阅读器"，允许用户阅读、回复、转发、保存和撰写报文，如腾讯的 Foxmail，网易的网易邮件大师，还有微软的 Outlook，谷歌的 Gmail。邮件代理可以向它的邮件服务器发送邮件，这时邮件就放在邮件服务器的外出报文队列中；邮件代理可以从其邮件服务器的邮箱中获取报文，也就是获取邮件。

• 邮件服务器

  邮件服务器形成了电子邮件体系结构的核心。

  对于发送方而言，李四的邮件服务器在一个报文队列（message queue）中保持待发送的报文并在以后尝试再次发送。

  对于接收方而言，每个接收方（如张三）在某个邮件服务器上有一个邮箱（mailbox）。张三的邮箱管理和维护着发送给他的报文。

  邮件服务器之间使用 SMTP 协议来传输报文。SMTP 使用 TCP 可靠数据传输服务。SMTP 也有两个部分：运行在发送方邮件服务器的客户端和运行在接收方邮件服务器的服务器端。每台邮件服务器上既运行 SMTP 的客户端也运行 SMTP 的服务器端。

• SMTP

  定义在 RFC 2821。

  使用 TCP 在客户端和服务器之间传送报文，端口号为25。

  它限制所有邮件报文的体部分（不只是其首部）只能采用简单的 7 比特 ASCII 表示。

  SMTP 一般不使用中间邮件服务器发送邮件，邮件并不在中间的某个邮件服务器存留。

  SMTP 使用持久连接，即在相同的 TCP 连接上可以发多个报文，直到没有报文发送再关闭 TCP 连接。

  每个报文以 CRLF. CRLF 结束，其中的 CR 和 LF 分别表示回 车和换行。

  与 HTTP 的比较

  对比项	SMTP	HTTP
  传送文件上	相同	相同
  持久连接上	采用持久连接	HTTP/1.1 默认采用持久连接
  TCP 连接发起方	由发送文件的机器发起，即发送邮件服务器	由接收文件的机器发起，即 Web 浏览器
  拉协议还是推协议？	推协议（push protocol），发送邮件服务器把文件推向接收邮件服务器。	拉协议（pull protocol），即 Web 浏览器从 Web 服务器拉取信息。
  报文必须采用 7 比特ASCII码格式	限制	不限制
  如何处理一个既包含文本又包含图形（也可能是其他媒体类型）的 文档	把所有报文对象放在一个报文之中	把每个对象封装到它自己的 HTTP 响应报文中

• 邮件报文格式

  由一些首部行和报文体组成。首部行在报文体前面，之间使用空行进行分隔。

  每个首部必须含有一个 From: 首部行和一个 To: 首部行；一个首部也许包含一个 Subject: 首部行以及其他可选的首部行。

  报文体必须以 ASCII 格式表示。

  通过使用多媒体邮件扩展MIME（multimedia mail extension）来传输不在 7 比特 ASCII 码内的数据。在报文首部用额外的行申明 MIME 内容类型。

• 邮件访问协议

  

  SMTP 作用：将电子邮件从一台主机推向另一台主机。发送方的用户代理用 SMTP 将电子邮件推入它的邮件服务器；发送方邮件服务器上的 SMTP 客户端将电子邮件推向接收方邮件服务器上的 SMTP 服务端。

  接收方的用户代理不能使用 SMTP 从接收方邮件服务器获得邮件报文，因为 SMTP 是一个推协议，而获得报文是一个拉操作。所以，需要特殊的邮件访问协议来解决接收方用户代理如何从接收方邮件服务器获得邮件报文的问题。邮件访问协议包括：POP3，IMAP，HTTP。

  • POP3（Post Office Protocol 3）邮局访问协议

    由 RFC 1939 定义。

    当用户代理打开一个到邮件服务器端口 110 上的 TCP 连接后，POP3 就开始工作了。

    POP3 按照三个阶段进行工作：认证（authorization）（命令：user，pass）、事务处理（命令：list，retr，dele）和更新（命令：quit）。

    使用 POP3 的用户代理通常被用户配置为“下载并删除” 或者“下载并保留”方式。

    POP3 协议没有给用户提供任何创建远程文件夹并为报文指派文件夹的方法。

    POP3 在会话中是无状态的。

  • IMAP（Internet Mail Access Protocol）Internet 邮件访问协议

    由 RFC 1730 定义。比 POP3 复杂。

    IMAP 服务器将每个报文与一个文件夹关联起来；

    IMAP 协议为用户提供了创建文件夹以及将邮件从一 个文件夹移动到另一个文件夹的命令。

    IMAP 还为用户提供了在远程文件夹中查询邮件 的命令，按指定条件去查询匹配的邮件。

    与 POP3 不同，IMAP 服务器 维护了 IMAP 会话的用户状态信息。

    IMAP 的另一个重要特性是它具有允许用户代理获取报文某些部分的命令。

• 基于 Web 的电子邮件

  用户使用 Web 浏览器来收发邮件。使用这种服务，用户代理就是普通的浏览器，用 户和他远程邮箱之间的通信则通过 HTTP 进行。发送方的用户代理发送邮件到他的邮件服务器，使用的是 HTTP，而不是 SMTP；接收方的用户代理从他的邮件服务器获得邮件，使用的是 HTTP，而不是 POP3 或者 IMAP。

2.5 DNS

• 因特网中主机的标识方法

  • 使用主机名（hostname）标识

    人类乐于接受以主机名的方式来标识因特网上的主机，有一定的意义，便于记忆。

    主机名几乎没有提供关于主机在因特网中的信息。

    主机名可能由不定长的字母数字组成，路由器难以处理。

  • 使用 IP 地址（IP address）标识

    IP 地址由 4 个字节组成，有着严格的层次结构。每个字节都被句点分隔开来，每个字节使用 0 ~ 255 的十进制数字来表示。

    IP 地址具有层次结构，是说当我们从左向右扫描它时，可以得到越来越多具体的关于主机在互联网中位置的信息。

    路由器钟爱于定长的、有着层次结构的 IP 地址。

• DNS 系统需要解决的问题

  问题1（命名）：如何命名设备 -> 使用层次化命名。

  问题2（解析）：如何完成主机名到 IP 地址的转换 -> 使用分布式的数据库来维护和响应名字查询。

  问题3（维护）：如何维护域名系统（增加或删除一个域名）。

• DNS 的总体思路

  分层的、基于域的命名机制；

  由分层的 DNS 服务器实现的若干分布式的数据库完成主机名到 IP 地址的转换；

  DNS 协议是应用层协议，运行在 UDP 之上（不需要握手过程，是事务性操作）端口号为 53；

  核心的 Internet 功能，但以应用层协议实现（互联网体系结构的复杂性大多数位于网络的“边缘”）。

• DNS 主要目的

  DNS，即 Domain Name System，域名系统，它的主要目的是能进行主机名到 IP 地址转换的目录服务。注意：只是实现主机名到 IP 地址的单向转换，而不包括 IP 地址到主机名的转换。

  其他目的：

  1. 主机别名（host aliasing）到规范主机名（canonical hostname）的转换；
  2. 邮件服务器别名（mail server aliasing）到规范主机名的转换；
  3. 负载均衡（load balance）：在多个服务器之间进行负载分配。

• 问题1：DNS 如何命名设备？

  采用层次树状结构的命名方法。Internet 根被划分为几百个顶级域（top level domains）。

  顶级域分为通用顶级域（如.com，.edu；.gov；.org .firm）和国家顶级域（如 .cn，.us 等）。

  每个（子）域下面可划分多个子域（subdomains）。到树叶就是主机了。

  使用"."间隔表示不同的级别。

  域的域名：从树枝向上到树根，表示一个域；主机的域名：从树叶向上到树根，表示一台主机。

  域的管理：一个域管理其下的子域；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（同一个域的主机可以不在一个网络，同一个网络的主机未必都在一个域里面），域的划分是逻辑的，而不是物理的。

• 问题2：解析问题

  DNS 工作过程概述

  当运行在用户主机上的某些应用程序需要将主机名转为 IP 地址时，这些应用程序将调用 DNS 客户端，把需要被转换的主机名交给 DNS 客户端；DNS 客户端收到主机名后，会向网络中发送一个 DNS 查询报文；经过若干毫秒或若干秒的时延后，用户主机上的 DNS 客户端接收到一个提供了主机名到 IP 地址映射的 DNS 回答报文；这个映射结果会被传递给调用 DNS 的应用程序，这样应用程序就拿到了主机名对应的 IP 地址了。

  DNS 采用分布式、层次数据库

  采用一个名字服务器来解析，存在的问题：单点故障（可靠性问题）；通信容量（扩展性问题）；远距离的集中式数据库（时延问题）；庞大的数据库（维护问题）。

  将所有主机名的映射分布在所有的 DNS 服务器上。DNS 服务器有 3 种类型：根 DNS 服务器、顶级域（Top Level Domain，TLD）DNS 服务器和权威 DNS 服务器。这些 DNS 服务器以层次结构组织起来。

  • 根 DNS 服务器：有400多个根名字服务器遍及全世界。这些根名字服务器由13 个不同的组织管理。根名字 DNS 服务器列表见https://www.iana.org/domains/root/servers。根名字服务器提供 TLD 服务器的 IP 地址。
  • 顶级域 DNS 服务器：对于每个顶级域（如 com，org，net，edu 和 gov）和所有国家的顶级域（如 uk，cn，us）都有 TLD 服务器。TLD 服务器提供了权威 DNS 服务器的 IP 地址。
  • 权威 DNS 服务器：在互联网上具有公共可访问主机的每个组织机构必须提供公共可访问的 DNS 记录，这些记录将这些主机名映射为 IP 地址。一个组织机构的权威 DNS 服务器收藏了这些 DNS 记录。

  本地 DNS 服务器（local DNS server）是另一类重要的 DNS 服务器，但它不属于 DNS 服务器的层次结构。每个 ISP 都有一个本地 DNS 服务器（也叫默认名字服务器，Local 是说这个 DNS 服务器里发起 DNS 请求的主机近）。当主机发起 DNS 请求时，该请求被发往 DNS 服务器，它起着代理的作用，并将该请求转发到 DNS 服务器层次结构中。

  查询方式

  递归查询（recursive query）和迭代查询（iterative query）。递归类似于接力，迭代则是一个本地 DNS 服务器轮询根服务器，多个 TLD 服务器，权威服务器得到 IP 地址。

  DNS 缓存

  缓存的目的是为了改善时延性能并减少在互联网上到处传输的 DNS 报文数量。缓存信息是存在本地 DNS 服务器里面的。DNS 服务器在一段时间后(通常设置为两天)将丢弃缓存的信息（这是因为主机名到 IP 地址的映射不是永久的）。缓存保证性能，删除保证一致性。

  DNS 记录和报文

  资源记录（Resource Record，RR），提供了主机名到 IP 地址的映射。资源记录是一个包含了下列字段的4元组: (Name， Value，Type，TTL)。

  Type	Name	Value
  A	主机	IP 地址
  CNAME	规范名字的别名	规范名字
  NS	域名	该域名的权威服务器的域名
  MX	邮件服务器规范名字的别名	邮件服务器规范名字

  DNS 报文有两种：查询报文和回答报文，它们有着相同的格式。依赖标志位来区分查询报文和回答报文。

• 问题3：维护问题

  当新增一个域时，需要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；需要在新增子域的名字服务器上增加名字到 IP 地址的记录。

2.6 P2P 应用

• 纯 P2P 架构的特点

  没有或极少有一直运行的服务器；任意端系统都可以直接通信；可以利用 peer 的服务能力；peer 节点间歇上网，每次 IP 地址都有可能变化；具有自扩展性（因为对等方除了是比特的消费者还是比特的重新分发者）。

  例子：文件分发（BitTorrent），流媒体（KanKan），VoIP（Skype）。

• 文件分发的上载和下载

  上载（upload）和下载（download）的角度都是用户。当上载时，用户是资源提供者；当下载时，用户是资源需求者。

• P2P 分类

  非结构化 P2P：peer 之间的边（overlay，覆盖网络，是应用层的逻辑连接）是任意的。

  DHT（结构化）P2P：peer 之间的边是有结构的，如环状的，树状的。Distributed Hash Table，分布式散列表，是一种简单的数据库，其数据库记录分布在一个P2P系统的多个对等方上

• P2P 文件共享的两大问题

  1. 如何定位所需资源

  2. 如何处理对等方的加入与离开

  可能的解决方案：

  方案	例子	特点
  集中式目录	最初的“Napster”设计	单点故障；性能瓶颈；版权侵犯；定位资源是集中式的，文件传输是分散的。
  全分布式目录	查询洪泛 Gnutella	全分布式：没有中心服务器；查询泛洪（flooding）：是一个查询者会向自己的邻居发起查询，如果还没有查询到，这些邻居会再向自己的邻居查询，这样查询就像洪水一样扩散开来，达到一传十十传百的效果；需要限制泛洪：TTL（查询多少次后就必须返回），标记查询。 通过软件配置的节点列表来加入 P2P 系统，离开时需要通知对等方。
  半分散式目录	KaZaA	每个对等方要么是一个组长，要么隶属于一个组长。 采用分布式命名：文件，文件描述，hash（是文件 id 的作用）。

• BitTorrent

  文件被分为一个一个 256kb 的块；

  每个 peer 使用一个 Bitmap 结构记录自己拥有这个文件的哪些块；

  所有 peer 实时交换彼此对文件的各个块拥有情况的信息；

  拥有文件全部的节点称为种子，完全没有文件块的节点称为吸血鬼；

  从请求角度来看，新加入的 peer，完全不拥有一个文件，会先随机请求 4 个文件块，然后再请求稀缺的块（稀缺优先）

  从服务角度来看，有很多个 peer 请求文件块时，在三个周期的前两个周期，拥有文件块的 peer 会优先向给自己提供过更好服务的 peer 优先提供服务，其余 peer 需要排队（这就是有限疏通，unchoked）。在三个周期的最后一个周期，拥有文件块的 peer 会随机选取一个等待的 peer，给它提供服务（为了发现将来可以更好给自己提供服务的 peer）。

  新节点通过文件的Tracking Server提供的peer列表，来加入网络。Tracking Server 是由网站维护的，在 Torrent 的源文件中描述的。

2.7 CDN

• 多媒体流化服务（DASH）

  Dynamic, Adaptive Streaming over HTTP

  在服务器方面，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中）；提供告示文件（manifest file，里面包含不同块的 URL）

  在客户端方面，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，根据当时可用的带宽，可以切换请求不同的编码块。

• CDN

  Content Distribution Networks，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，即让内容靠近用户。

  分为 enter deep和bring home两种类型。前者是将 CDN 服务器深入到许多接入网，这样更接近用户，但数量更多，管理困难；后者是将 CDN 服务器部署在少数关键位置，如安装于 POP 附近。

  在 CDN 节点中存储着内容的多个拷贝。当用户从 CDN 请求内容时，会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。

  我国第一家纯粹的 CDN 网络服务公司是北京蓝汛公司，已从 2000 年开始建立了一个专门的 CDN 服务网络一ChinaCache。

2.8 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 套接字编程（Java 版）

  服务端：

  public class TCPServer {
      public static void main(String[] args) throws IOException {
          // 1，服务器必须首先处于运行状态
          // 1.1，创建一个欢迎 socket
          try (ServerSocket welcomeSocket = new ServerSocket()) {
              // 1.2，绑定本地端口，表示服务器在哪个端口上监听
              welcomeSocket.bind(new InetSocketAddress(10001));
              System.out.println("Server start......");
              while (true) {
                  // 1.3，在欢迎 socket 上阻塞式地等待接收用户的连接。
                  // 3，当与客户端连接请求到来时，服务器接收来自客户端的请求，解除阻塞式等待，返回一个新的 socket，即连接 socket，用于与客户端通信。
                  try (Socket connectionSocket = welcomeSocket.accept();
                       ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(connectionSocket.getInputStream());
                       ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(connectionSocket.getOutputStream())) {
                          // 读取客户端的消息
                          String text = objectInputStream.readUTF();
                          System.out.println("服务器收到的文本: " + text);
  
                          // 服务端的输出
                          String result = text.toUpperCase(Locale.US);
                          System.out.println("服务端返回的文本：" + result);
                          objectOutputStream.writeUTF(result);
                          // 一定要刷新才可以
                          objectOutputStream.flush();
                  }
              }
          } finally {
              System.out.println("Server end......");
          }
      }
  }
  

  客户端：

  public class TCPClient {
      public static void main(String[] args) throws IOException {
          // 2，客户端发起和服务器的连接
          // 2.1，创建客户端本地套接字（隐式捆绑到本地 port）
          Socket socket = new Socket();
          // 2.2，指定服务器进程的 IP 地址和端口号
          InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress("localhost", 10001);
          // 2.3，与服务器进程建立连接
          socket.connect(inetSocketAddress);
          // 这两个流顺序不能写反了，要先写后读
          try (ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(socket.getOutputStream());
               ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(socket.getInputStream())) {
              String text = "hello,tcp!";
              System.out.println("客户端发送的文本：" + text);
              objectOutputStream.writeUTF(text);
              objectOutputStream.flush();
  
              String s = objectInputStream.readUTF();
              System.out.println("客户端收到的文本：" + s);
          } finally {
              socket.close();
          }
      }
  }
  

  先运行服务端，再运行客户端，日志打印如下：

  服务端日志：

  Server start......
  服务器收到的文本: hello,tcp!
  服务端返回的文本：HELLO,TCP!
  

  客户端日志：

  客户端发送的文本：hello,tcp!
  客户端收到的文本：HELLO,TCP!
  

2.9 UDP 套接字编程

• UDP 特点

  在客户端和服务端之间没有连接，客户端在每一个报文中需要明确地指定目标的 IP 地址和端口号，服务器必须从收到的分组中提取出客户端的 IP 地址和端口号。

  UDP 传输的数据可能乱序，也可能丢失。

  从应用进程进度来看，UDP 为客户端和服务器提供了不可靠的字节组的服务。

• UDP 套接字编程（Java版）

  服务端：

  public class UDPServer {
      public static void main(String[] args) {
              // 1，创建服务端 socket，指定端口号
              try (DatagramSocket server = new DatagramSocket(null)) {
                  server.bind(new InetSocketAddress(12000));
                  while (true) {
                      byte[] buffer = new byte[1024];
                      DatagramPacket receivePacket = new DatagramPacket(buffer, 0, buffer.length);
                      // 2，服务端等待来自客户端的分组
                      server.receive(receivePacket);
                      byte[] data = receivePacket.getData();
                      int length = receivePacket.getLength();
                      String text = new String(data, 0, length);
                      System.out.println("服务端接收到的文本：" + text);
                      
                      String result = text.toUpperCase(Locale.US);
                      byte[] bytes = result.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
                      System.out.println("服务端返回的文本：" + result);
                      // 5，向客户端发送数据
                      int port = receivePacket.getPort();
                      InetAddress address = receivePacket.getAddress();
                      DatagramPacket sendPacket = new DatagramPacket(bytes, 0, bytes.length, address, port);
                      server.send(sendPacket);
                  }
              } catch (IOException e) {
                  throw new RuntimeException(e);
              }
      }
  }
  

  客户端：

  public class UDPClient {
      public static void main(String[] args) {
          try {
              // 3，创建客户端 socket
              try (DatagramSocket client = new DatagramSocket()) {
                  // 4，向指定的服务端发送文本
                  String text = "hello, udp!";
                  System.out.println("客户端发送的文本：" + text);
                  byte[] bytes = text.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
                  DatagramPacket packet = new DatagramPacket(bytes, 0, bytes.length,
                          new InetSocketAddress("localhost", 12000));
                  client.send(packet);
                  // 6，接收来自指定服务端的文本
                  byte[] buffer = new byte[1024];
                  DatagramPacket receivePacket = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);
                  client.receive(receivePacket);
                  String result = new String(receivePacket.getData(), 0, receivePacket.getLength());
                  System.out.println("客户端接收到的文本：" + result);
              }
          } catch (IOException e) {
              throw new RuntimeException(e);
          }
      }
  }
  

  先运行服务端，再运行客户端，日志打印如下：

  服务端：

  服务端接收到的文本：hello, udp!
  服务端返回的文本：HELLO, UDP!
  

  客户端：

  客户端发送的文本：hello, udp!
  客户端接收到的文本：HELLO, UDP!
  

3. 最后

本文是学习中科大郑烇、杨坚全套《计算机网络（自顶向下方法 第7版，James F.Kurose，Keith W.Ross）》课程的笔记。希望感兴趣的同学一起学习这套优秀的课程。

最后

以上就是干净鸭子为你收集整理的中科大郑烇、杨坚老师《计算机网络-自顶向下方法》课程 第2章 应用层笔记1. 前言2. 正文3. 最后的全部内容，希望文章能够帮你解决中科大郑烇、杨坚老师《计算机网络-自顶向下方法》课程 第2章 应用层笔记1. 前言2. 正文3. 最后所遇到的程序开发问题。

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