應(yīng)用層

• 應(yīng)用層協(xié)議原理
• • 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的體系結(jié)構(gòu)
  • • 客戶-服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)
    • P2P體系結(jié)構(gòu)
  • 進(jìn)程通信
  • 進(jìn)程與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間的接口
  • 進(jìn)程尋址
  • 可供應(yīng)用程序使用的運(yùn)輸服務(wù)
  • • 可靠數(shù)據(jù)傳輸
    • 吞吐量
    • 定時(shí)
    • 安全性
  • 因特網(wǎng)提供的運(yùn)輸服務(wù)
  • • TCP服務(wù)
    • • 面向連接的服務(wù)
      • 可靠的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)
      • 擁塞控制
      • TCP安全
    • UDP服務(wù)
  • 應(yīng)用層協(xié)議
  • • 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和應(yīng)用層協(xié)議區(qū)別

應(yīng)用層協(xié)議原理

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的體系結(jié)構(gòu)

由應(yīng)用程序研發(fā)者設(shè)計(jì), 規(guī)定了如何在各種端系統(tǒng)上組織該應(yīng)用程序。
兩種主流體系結(jié)構(gòu)：客戶-服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，對(duì)等（P2P）體系結(jié)構(gòu)。

客戶-服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)

客戶(client)和服務(wù)器(server)都是指通信中所涉及的兩個(gè)應(yīng)用進(jìn)程。客戶是服務(wù)請(qǐng)求方，服務(wù)器是服務(wù)提供方。
一個(gè)典型的例子是Web應(yīng)用程序，其中總是打開(kāi)的Web服務(wù)器服務(wù)于來(lái)自瀏覽器（運(yùn)行在客戶主機(jī)上）的請(qǐng)求。當(dāng)Web服務(wù)器接收到來(lái)自某客戶對(duì)某對(duì)象的請(qǐng)求時(shí)，它向該客戶發(fā)送所請(qǐng)求的對(duì)象作為響應(yīng)。

特征：

• 客戶相互之間不直接通信。
• 該服務(wù)器具有固定的、周知的地址(IP地址)，因?yàn)樵摲?wù)器總是打開(kāi)的，客戶總是能夠通過(guò)向該服務(wù)器的IP地 址發(fā)送分組來(lái)與其聯(lián)系。

該體系結(jié)構(gòu)著名的應(yīng)用程序包括WEB、FTP、Telnet和電子郵件。

在一個(gè)客戶-服務(wù)器應(yīng)用中，常常會(huì)出現(xiàn)一臺(tái)單獨(dú)的服務(wù)器主機(jī)跟不上它所有客戶請(qǐng) 求的情況。例如，一個(gè)流行的社交網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)如果僅有一臺(tái)服務(wù)器來(lái)處理所有請(qǐng)求，將很快變得不堪重負(fù)。為此，配備大量主機(jī)的數(shù)據(jù)中心（data center）常被用于創(chuàng)建強(qiáng)大的虛擬 服務(wù)器。最為流行的因特網(wǎng)服務(wù)一一如搜索引擎（如谷歌、Bing和百度）、因特網(wǎng)商務(wù)（如亞馬遜、e-Bay和阿里巴巴）、基于Web的電子郵件（如Gmail和雅虎郵件）、社交網(wǎng) 絡(luò)（如臉書(shū)、Instagram推特和微信），就應(yīng)用了一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)中心。一個(gè)數(shù)據(jù)中心能夠有數(shù)十萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器。

P2P體系結(jié)構(gòu)

應(yīng)用程序在間斷連接的主機(jī)對(duì)之間使用直接通信，這些主機(jī)對(duì)被稱為對(duì)等方。因?yàn)檫@種對(duì)等方通信不必通過(guò)專門(mén)的服務(wù)器，該體系結(jié)構(gòu)被稱為對(duì)等方到對(duì)等方的。

許多目前流行的、流量密集型應(yīng)用都是P2P體系結(jié)構(gòu)的。這些應(yīng)用包括文件共享（例如BitTorrent） x對(duì)等方協(xié)助下載加速器（例如迅雷）、因特網(wǎng)電話和視頻會(huì)議（例如Skype）。

P2P體系結(jié)構(gòu)的最引人入勝的特性之一是它們的自擴(kuò)展性 self-scalability o例如, 在一個(gè)P2P文件共享應(yīng)用中，盡管每個(gè)對(duì)等方都由于請(qǐng)求文件產(chǎn)生工作負(fù)載，但每個(gè)對(duì)等 方通過(guò)向其他對(duì)等方分發(fā)文件也為系統(tǒng)增加服務(wù)能力。然而，未來(lái)P2P應(yīng)用由于高度非集中式結(jié)構(gòu)，面臨安全性、性 能和可靠性等挑戰(zhàn)。

進(jìn)程通信

用操作系統(tǒng)的術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，進(jìn)行通信的實(shí)際上是進(jìn)程（process）而不是程序。一個(gè)進(jìn)程可以被認(rèn)為是運(yùn)行在端系統(tǒng)中的一個(gè)程序。當(dāng)多個(gè)進(jìn)程運(yùn)行在相同的端系統(tǒng)上時(shí)，它們使用進(jìn)程間通信機(jī)制相互通信。進(jìn)程間通信的規(guī)則由端系統(tǒng)上的操作系統(tǒng)確定。

在兩個(gè)不同端系統(tǒng)上的進(jìn)程，通過(guò)跨越計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)交換報(bào)文（message）而相互通信。對(duì)每對(duì)通信進(jìn)程, 我們通常將這兩個(gè)進(jìn)程之一標(biāo)識(shí)為客戶（client）,而另一個(gè)進(jìn)程標(biāo)識(shí)為服務(wù)器（serve"。 對(duì)于Web而言，瀏覽器是一個(gè)客戶進(jìn)程，Web服務(wù)器是一臺(tái)服務(wù)器進(jìn)程。對(duì)于P2P文件共享，下載文件的對(duì)等方標(biāo)識(shí)為客戶，上載文件的對(duì)等方標(biāo)識(shí)為服務(wù)器。

進(jìn)程與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間的接口

兩個(gè)進(jìn)程互相發(fā)送報(bào)文時(shí)，進(jìn)程通過(guò)一個(gè)稱為套接字（socket）的軟件接口向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送報(bào)文和從網(wǎng)絡(luò)接收?qǐng)?bào)文。
下圖顯示了兩個(gè)經(jīng)過(guò)因特網(wǎng)通信的進(jìn)程之間的套接字通信(假設(shè)運(yùn)輸層協(xié)議是因特網(wǎng)的TCP協(xié)議)：

如該圖所示，套接字是同一臺(tái)主機(jī)內(nèi)應(yīng)用 層與運(yùn)輸層之間的接口。由于該套接字是建立網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的可編程接口，因此套接字也 稱為應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)之間的應(yīng)用程序編程接口（API）。
應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者可以控制套接字在應(yīng)用層端的一切，但是對(duì)該套接字的運(yùn)輸層端幾乎沒(méi)有控制權(quán)。
應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者對(duì)于運(yùn)輸層的控制僅限于

• 1.選擇運(yùn)輸層協(xié)議；
• 2.也許能設(shè)定幾個(gè)運(yùn)輸層參數(shù)，如最大緩存和最大報(bào)文段長(zhǎng)度等。

進(jìn)程尋址

為了向特定目的地發(fā)送郵政郵件，目的地需要有一個(gè)地址。類似地，在一臺(tái)主機(jī)上運(yùn)行的進(jìn)程為了向在另一臺(tái)主機(jī)上運(yùn)行的進(jìn)程發(fā)送分組，接收進(jìn)程需要有一個(gè)地址。為了標(biāo)識(shí)該接收進(jìn)程，需要定義兩種信息

• 1.主機(jī)的地址；
• 2.在目的主機(jī)中指定接收進(jìn)程的標(biāo)識(shí)符。

主機(jī)由IP地址標(biāo)識(shí)，IP地址是一個(gè)32比特的量且它能夠唯一地標(biāo)識(shí)該主機(jī)。
除了知道報(bào)文發(fā)送目的地的主機(jī)地址外，發(fā)送進(jìn)程還必須指定運(yùn)行在接收主機(jī)上的接收進(jìn)程(更具體地說(shuō)，接收套接字)。因?yàn)橐话愣砸慌_(tái)主機(jī)能夠運(yùn)行許多網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用, 這些信息是需要的。

目的地端口號(hào)(port number)用于這個(gè)目的。已經(jīng)給流行的應(yīng)用分配 了特定的端口號(hào)。例如，Web服務(wù)器用端口號(hào)80來(lái)標(biāo)識(shí)。郵件服務(wù)器進(jìn)程(使用SMTP協(xié)議)用端口號(hào)25來(lái)標(biāo)識(shí)。

可供應(yīng)用程序使用的運(yùn)輸服務(wù)

前面講過(guò)套接字是應(yīng)用程序進(jìn)程和運(yùn)輸層協(xié)議之間的接口。在發(fā)送端的應(yīng)用程序?qū)?bào)文推進(jìn)該套接字。在該套接字的另一側(cè)，運(yùn)輸層協(xié)議負(fù)責(zé)從接收進(jìn)程的套接字得到該報(bào)文。 包括因特網(wǎng)在內(nèi)的很多網(wǎng)絡(luò)提供了不止一種運(yùn)輸層協(xié)議。
當(dāng)開(kāi)發(fā)一個(gè)應(yīng)用時(shí)，必須選擇一種可用的運(yùn)輸層協(xié)議。如何做出這種選擇呢？最可能的方式是，通過(guò)研究這些可用的運(yùn)輸層協(xié)議所提供的服務(wù)，選擇一個(gè)最能為你的應(yīng)用需求提供恰當(dāng)服務(wù)的協(xié)議。這種情況類似于在兩個(gè)城市間旅行時(shí)選擇飛機(jī)還是火車作為交通工具。每種運(yùn)輸模式為你提供不同的服務(wù)，你必須選擇一種或另一種(例如，火車可以直到市區(qū)上客和下客，而飛機(jī)提供了更短的旅行時(shí)間)。
一個(gè)運(yùn)輸層協(xié)議能夠?yàn)檎{(diào)用它的應(yīng)用程序提供什么樣的服務(wù)呢？我們大體能夠從四個(gè)方面對(duì)應(yīng)用程序服務(wù)要求進(jìn)行分類：可靠數(shù)據(jù)傳輸、吞吐量、定時(shí)和安全性。

可靠數(shù)據(jù)傳輸

分組在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中可能丟失。像電子郵件、文件傳輸、遠(yuǎn)程主機(jī)訪問(wèn)、Web文檔傳輸以及金融應(yīng)用等這樣的應(yīng)用，數(shù)據(jù)丟失可能會(huì)造成災(zāi)難性的后果。因此，為了支持這些應(yīng)用，必須做一些工作以確保由應(yīng)用程序的一端發(fā)送的數(shù)據(jù)正確、完全地交付給該應(yīng)用程序的另一端。如果一個(gè)協(xié)議提供了這樣的確保數(shù)據(jù)交付服務(wù)，就認(rèn)為提供了可靠數(shù)據(jù)傳輸。
運(yùn)輸層協(xié)議能夠潛在地向應(yīng)用程序提供的一個(gè)重要服務(wù)是進(jìn)程到進(jìn)程的可靠數(shù) 據(jù)傳輸。當(dāng)一個(gè)運(yùn)輸協(xié)議提供這種服務(wù)時(shí)，發(fā)送進(jìn)程只要將其數(shù)據(jù)傳遞進(jìn)套接字，就可以完全相信該數(shù)據(jù)將能無(wú)差錯(cuò)地到達(dá)接收進(jìn)程。
當(dāng)一個(gè)運(yùn)輸層協(xié)議不提供可靠數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，由發(fā)送進(jìn)程發(fā)送的某些數(shù)據(jù)可能到達(dá)不了接收進(jìn)程。這可能能被容忍丟失的應(yīng)用(loss-tolerant application)所接受，最值得注意的是多媒體應(yīng)用，如交談式音頻/視頻，它們能夠承受一定量的數(shù)據(jù)丟失。在這些多媒體應(yīng) 用中，丟失的數(shù)據(jù)引起播放的音頻/視頻出現(xiàn)小干擾，而不是致命的損傷。

吞吐量

運(yùn)輸層協(xié)議能夠以某種特定的速率提供確保的可用吞吐量。使用這種服務(wù)，該應(yīng)用程序能夠請(qǐng)求 r 比特/秒的確保吞吐量，并且該運(yùn)輸協(xié)議能夠確保可用吞吐量總是為至少 r 比特/秒。
例如，如果因特網(wǎng)電話應(yīng)用程序?qū)φZ(yǔ)音以32kbps的速率進(jìn)行編碼， 那么它需要以這個(gè)速率向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)，并以該速率向接收應(yīng)用程序交付數(shù)據(jù)。如果運(yùn)輸協(xié)議不能提供這種吞吐量，該應(yīng)用程序或以較低速率進(jìn)行編碼（并且接收足夠的吞吐量以 維持這種較低的編碼速率），或它可能必須放棄發(fā)送.這是因?yàn)閷?duì)于這種因特網(wǎng)電話應(yīng)用而言，接收所需吞吐量的一半是幾乎沒(méi)有或根本沒(méi)有用處的。
具有吞吐量要求的應(yīng)用程序被稱為帶寬敏感的應(yīng)用。

帶寬敏感的應(yīng)用具有特定的吞吐量要求，而彈性應(yīng)用（elastic application 能夠根據(jù)當(dāng)時(shí)可用的帶寬或多或少地利用可供使用的吞吐量。電子郵件、文件傳輸以及Web傳送都屬于彈性應(yīng)用。

定時(shí)

運(yùn)輸層協(xié)議也能提供定時(shí)保證。如同具有吞吐量保證那樣，定時(shí)保證能夠以多種形式實(shí)現(xiàn)。一個(gè)保證的例子如 發(fā)送方注入進(jìn)套接字中的每個(gè)比特到達(dá)接收方的套接字不遲于100mso這種服務(wù)將對(duì)交互式實(shí)時(shí)應(yīng)用程序有吸引力，如因特網(wǎng)電話、虛擬環(huán)境、電話會(huì) 議和多方游戲，所有這些服務(wù)為了有效性而要求數(shù)據(jù)交付有嚴(yán)格的時(shí)間限制。

安全性

運(yùn)輸協(xié)議能夠?yàn)閼?yīng)用程序提供一種或多種安全性服務(wù)。例如，在發(fā)送主機(jī) 中，運(yùn)輸協(xié)議能夠加密由發(fā)送進(jìn)程傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)，在接收主機(jī)中，運(yùn)輸層協(xié)議能夠在將數(shù)據(jù)交付給接收進(jìn)程之前解密這些數(shù)據(jù)。

因特網(wǎng)提供的運(yùn)輸服務(wù)

因特網(wǎng)(更一般的是TCP/IP網(wǎng)絡(luò))為應(yīng)用程序?yàn)閼?yīng)用程序提供兩個(gè)運(yùn)輸層協(xié)議，即UDP和TCP。
當(dāng)你（作為一個(gè)軟件開(kāi)發(fā)者）為因特網(wǎng)創(chuàng)建一個(gè)新的 應(yīng)用時(shí)，首先要做出的決定是，選擇UDP還是選擇TCP。每個(gè)協(xié)議為調(diào)用它們的應(yīng)用程序 提供了不同的服務(wù)集合。

TCP服務(wù)

TCP協(xié)議包括面向連接服務(wù)和可靠數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。還具有擁塞控制機(jī)制。

面向連接的服務(wù)

在應(yīng)用層數(shù)據(jù)報(bào)文開(kāi)始流動(dòng)之前，TCP讓客戶和服務(wù)器互相交 換運(yùn)輸層控制信息。這個(gè)所謂的握手過(guò)程提醒客戶和服務(wù)器，讓它們?yōu)榇罅糠纸M 的到來(lái)做好準(zhǔn)備。在握手階段后，一個(gè)TCP連接就在兩個(gè)進(jìn)程的套接字之間建立了。這條連接是全雙工的，即連接雙方的進(jìn)程可以在此連接上同時(shí)進(jìn)行報(bào)文收發(fā)。當(dāng)應(yīng)用程序結(jié)束報(bào)文發(fā)送時(shí)，必須拆除該連接。

可靠的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)

通信進(jìn)程能夠依靠TCP,無(wú)差錯(cuò)、按適當(dāng)順序交付所有發(fā)送的數(shù)據(jù)。當(dāng)應(yīng)用程序的一端將字節(jié)流傳進(jìn)套接字時(shí)，它能夠依靠TCP將相同的 字節(jié)流交付給接收方的套接字，而沒(méi)有字節(jié)的丟失和冗余。

擁塞控制

這種服務(wù)不一定能為通信進(jìn)程帶來(lái)直接好處，但能為 因特網(wǎng)帶來(lái)整體好處。當(dāng)發(fā)送方和接收方之間的網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí)，TCP的擁塞控制機(jī)制會(huì)抑制發(fā)送進(jìn)程（客戶或服務(wù)器）。

TCP安全

無(wú)論TCP還是UDP都沒(méi)有提供任何加密機(jī)制，這就是說(shuō)發(fā)送進(jìn)程傳進(jìn)其套接字的數(shù)據(jù)，與經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳送到目的進(jìn)程的數(shù)據(jù)相同。因此，舉例來(lái)說(shuō)如果某發(fā)送進(jìn)程以明文方式（即沒(méi)有加密）發(fā)送了一個(gè)口令進(jìn)入它的套接字，該明文口令將經(jīng)過(guò)發(fā)送方與接收方之間的所有鏈路傳送，這就可能在任何中間鏈路被嗅探和發(fā)現(xiàn)。因?yàn)殡[私和其他安全問(wèn) 題對(duì)許多應(yīng)用而言已經(jīng)成為至關(guān)重要的問(wèn)題，所以因特網(wǎng)界已經(jīng)研制了 TCP的加強(qiáng)版 本，稱為安全套接字層（Secure Sockets Layer, SSL）。用SSL加強(qiáng)后的TCP不僅能夠做 傳統(tǒng)的TCP所能做的一切，而且提供了關(guān)鍵的進(jìn)程到進(jìn)程的安全性服務(wù)，包括加密、數(shù)據(jù)完整性和端點(diǎn)鑒別。我們強(qiáng)調(diào)SSL不是與TCP和UDP在相同層次上的第三種因特網(wǎng)運(yùn)輸協(xié)議，而是一種對(duì)TCP的加強(qiáng)，這種強(qiáng)化是在應(yīng)用層上實(shí)現(xiàn)的。

UDP服務(wù)

UDP是一種不提供不必要服務(wù)的輕量級(jí)運(yùn)輸協(xié)議，它僅提供最小服務(wù)。
UDP是無(wú)連接的，因此在兩個(gè)進(jìn)程通信前沒(méi)有握手過(guò)程。
UDP協(xié)議提供一種不可靠數(shù)據(jù)傳送服務(wù)，也就是說(shuō)，當(dāng)進(jìn)程將一個(gè)報(bào)文發(fā)送進(jìn)UDP套接字時(shí)，UDP協(xié)議并不保證該報(bào)文將到達(dá)接收進(jìn)程。不僅如此，到達(dá)接收進(jìn)程的報(bào)文也可能是亂序到達(dá)的。
UDP沒(méi)有包括擁塞控制機(jī)制，所以UDP的發(fā)送端可以用它選定的任何速率向其下層 （網(wǎng)絡(luò)層）注入數(shù)據(jù)。

應(yīng)用層協(xié)議

應(yīng)用層協(xié)議定義了運(yùn)行在不同端系統(tǒng)上的應(yīng)用程序進(jìn)程如何相互傳遞報(bào)文。

特別是定義了：

• 交換的報(bào)文類型，例如請(qǐng)求報(bào)文和響應(yīng)報(bào)文。
• 各段報(bào)文類型的語(yǔ)法，如報(bào)文中的各個(gè)字段及這些字段是如何描述的。
• 字段的語(yǔ)義，即這些字段中包含的信息的含義。
• 一個(gè)進(jìn)程何時(shí)以及如何發(fā)送報(bào)文，對(duì)報(bào)文進(jìn)行響應(yīng)的規(guī)則。

有些應(yīng)用層協(xié)議是由RFC文檔定義的，因此它們位于公共域中。例如，Web的應(yīng)用層協(xié)議HTTP就作為一個(gè)RFC可供使用。如果瀏覽器開(kāi) 發(fā)者遵從HTTP RFC規(guī)則，所開(kāi)發(fā)出的瀏覽器就能訪問(wèn)任何遵從該文檔標(biāo)準(zhǔn)的Web服務(wù)器并獲取相應(yīng)Web頁(yè)面。還有很多別的應(yīng)用層協(xié)議是專用的，有意不為公共域使用。例如,Skype使用了專用的應(yīng)用層協(xié)議。

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和應(yīng)用層協(xié)議區(qū)別

應(yīng)用層協(xié)議只是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的一部分。
比如，Web是一種客戶----服務(wù)器應(yīng)用，它允許客戶按照需求從Web服務(wù)器獲得文檔。
該Web應(yīng)用有很多組成部分,包括文檔格式的標(biāo)準(zhǔn)（即HTML）、Web瀏覽器（如Firefox和Microsoft Internet Explorer）、Web服務(wù)器（如Apache、Microsoft服務(wù)器程序），以及一個(gè)應(yīng)用層協(xié)議。
Web的應(yīng)用層協(xié)議是HTTP,它定義了在瀏覽器和Web服務(wù)器之間傳輸?shù)膱?bào)文格式和序列。因此，HTTP只是Web應(yīng)用的一個(gè)部分。

總結(jié)

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