计算机网络Chapter (1).pdf

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1、1 2: Application Layer1 Chapter 2 Application Layer 计算机网络:自顶向下方法（第6版） J.F.Kurose，K.W.Ross著,陈鸣译, 机械工业出版社,2014. Computer Networking: A Top-Down Approach(Sixth Edition) J.F.Kurose，K.W.Ross,2012. 本PPT改编自英文版教材附带的PPT。 2: Application Layer2 Chapter 2: Application layer 2.1 网络应用的原理 2.2 Web and HTTP 2.3 FTP

2、2.4 电子邮件 SMTP, POP3, IMAP 2.5 DNS 2.6 P2P 应用 2.7 TCP Socket 编程 2.8 UDP Socket 编程 2: Application Layer3 Chapter 2: Application Layer Our goals: 网络应用协议的概念/ 实例 传输层服务模型 client-server paradigm peer-to-peer paradigm 通过常见的应用层协议 学习 HTTP FTP SMTP / POP3 / IMAP DNS 网络应用编程 socket API 2: Application Layer4 一些网络

3、应用 电子邮件e-mail web 即时消息 远程登录 P2P 文件共享 多用户网络游戏 流媒体：视屏点播 IP电话 流媒体：视屏会议 网格计算 2: Application Layer5 构造一个网络应用 开发一个应用 运行于不同 end systems 通过网络通信 e.g., web server software communicates with browser software 不需要关心网络核心的设备 网络核心设备不运行用户应用 end systems 允许快速的应用 开发 、部署、传播 application transport network data link physic

4、al application transport network data link physical application transport network data link physical 2: Application Layer6 Chapter 2: Application layer 2.1 网络应用的原理 2.2 Web and HTTP 2.3 FTP 2.4 电子邮件 SMTP, POP3, IMAP 2.5 DNS 2.6 P2P 应用 2.7 TCP Socket 编程 2.8 UDP Socket 编程 2 2: Application Layer7 应用架构 C

5、lient-server Peer-to-peer (P2P) Hybrid of client-server and P2P 2: Application Layer8 Client-server 架构 server: always-on 主机 永久IP address 可扩展：服务器集群 clients: 与服务器通信 可能是间歇性的连接 可能是动态的IP地址 通常相互之间不直接通 信 client/server 2: Application Layer9 纯 P2P 架构 没有 always-on 服务器 任意端节点主机间可相 互通信 端节点间歇性的连接、 相互通信，具有动态的 IP地址

6、 Highly scalable but difficult to manage peer-peer 2: Application Layer10 client-server和 P2P混合架构 Skype voice-over-IP P2P 应用 中央服务器: finding address of remote party: client-client 连接: direct (not through server) Instant messaging (QQ) 用户之间的聊天是P2P 中央服务器: client presence detection/location User上线后在中央服务器

7、注册IP地址 User 联系中央服务器获得好友的IP地址 2: Application Layer11 进程通信 Process: 运行于某个主机上 的程序. 进程间通信： 相同主机上的进程间通信 inter-process communication (OS). 消息： 不同主机上的进程间通过 交换messages通信 Client process: 发起通信的进程 Server process: 等待被访问的进程 Note: P2P 架构的应用程序同时有 client processes (2) 指定某些参数。 2: Application Layer14 应用层协议的定义 交换的消息类型

8、 eg, request transfer starting 425 Cant open data connection 452 Error writing file 2: Application Layer53 FTP 客户端命令 2: Application Layer54 10 2: Application Layer55 Chapter 2: Application layer 2.1 网络应用的原理 2.2 Web and HTTP 2.3 FTP 2.4 电子邮件 SMTP, POP3, IMAP 2.5 DNS 2.6 P2P 应用 2.7 TCP Socket 编程 2.8 U

9、DP Socket 编程 2: Application Layer56 电子邮件 三个组成部分: 用户代理 邮件服务器 简单邮件传输协议: SMTP User Agent a.k.a. “mail reader” 书写, 编辑, 阅读邮件信息 e.g., Eudora, Outlook, elm, Mozilla Thunderbird 外出及进来邮件都保留在服务器 user mailbox outgoing message queue mail server user agent user agent user agent mail server user agent user agent

10、mail server user agent SMTP SMTP SMTP 2: Application Layer57 电子邮件: mail servers Mail Servers 邮箱：mailbox 保留用户邮件 邮件队列：message queue 等待发送的邮件 SMTP protocol 服务器之间交换邮件的协议 client: 发送邮件的服务器或 客户端 “server”: 接收邮件的服务器 mail server user agent user agent user agent mail server user agent user agent mail server use

11、r agent SMTP SMTP SMTP 2: Application Layer58 电子邮件: SMTP RFC 2821 使用 TCP 从客户端可靠的传输邮件信息到服务器, 使用端口 25 直接传送: 发送服务器直接发送邮件至接收服务器 传输的三个阶段 握手 handshaking (greeting) 传输 transfer of messages 关闭 closure command/response 交互模式 命令 commands: ASCII 文本 响应 response: 状态码和简短说明 消息是7-bit ASCII字符！ 2: Application Layer59

12、例子: 张三发送消息给李四 1) 张三使用 UA 发送邮件信息到 lisisomeschool.edu 2) 张三的UA 发送邮件到他的邮 件服务器; 消息放在服务器的消息队列中 3) SMTP 客户端打开TCP 连接 到李四 的邮件服务器 4) SMTP 客户端通过TCP连接发送 张三的邮件给李四的服务器 5) 李四的服务器将邮件放在李四的 信箱中 6) 李四通过他的UA阅读信箱中的邮 件 user agent mail server mail server user agent 1 2 3 4 5 6 2: Application Layer60 SMTP 交互测试: telnet ser

13、vername 25 see 220 reply from server enter HELO, MAIL FROM, RCPT TO, DATA, QUIT commands 以上过程让我们不使用客户端或浏览器就能发送邮件！ 11 2: Application Layer61 简单SMTP 交互 telnet 25 S: 220 C: HELO localhost S: 250 OK C: AUTH LOGIN /使用身份认证登陆指令使用身份认证登陆指令 S: 334 dXNlcm5hbWU6 C: cmVkc29zMw= /输入已经输入已经base64_encode()的用户名的用户名 S

14、: 334 UGFzc3dvcmQ6 C: MbM2MDQ3NQ= /输入已经输入已经base64_encode()的密码的密码 S: 235 Authentication successful C: MAIL FROM: S: 250 alicecrepes.fr. Sender ok C: RCPT TO: S: 250 . Recipient ok C: DATA S: 354 Enter mail, end with . on a line by itself C: Do you like ketchup? C: How about pickles? C: . S: 250 Messa

15、ge accepted for delivery C: QUIT S: 221 hamburger.edu closing connection 2: Application Layer62 SMTP: 后话 SMTP 使用持久连接 SMTP 消息采用 (header client A查询 root server 获得com DNS server client A查询 com DNS server 获得 DNS server client A查询 DNS server 获得 IP 地址 13 2: Application Layer73 DNS: Root name servers 根域名服务

16、器 本地域名服务器(local name server) 与根域名服务器联系 根域名服务器: 与权威域名服务器联系完成域名映射 返回给本地域名服务器结果 13 个根域名服务器 b USC-ISI Marina del Rey, CA l ICANN Los Angeles, CA e NASA Mt View, CA f Internet Software C. PaloAlto, CA (and 36 other locations) i Autonomica, Stockholm (plus 28 other locations) k RIPE London (also 16 other

17、locations) m WIDE Tokyo (also Seoul, Paris, SF) a Verisign, Dulles, VA c Cogent, Herndon, VA (also LA) d U Maryland College Park, MD g US DoD Vienna, VA h ARL Aberdeen, MD j Verisign, ( 21 locations) 2: Application Layer74 TLD and Authoritative Servers TLD和权威域名服务器 顶级域名服务器( Top-level domain TLD) 负责co

18、m, org, net, edu, etc, 以及所有区域顶级域名 uk, fr, ca, jp. Network Solutions 维护com TLD Educause维护edu TLD 权威域名服务器: 一个单位的域名服务器, 为本单位负责服务器与IP地址之间的映射 (e.g., Web, mail). 由本单位维护或者ISP维护 2: Application Layer75 Local Name Server 本地域名服务器 不是严格的属于域名服务器的层次结构 每个 ISP (区域ISP, 公司, 大学) 都有自己的LNS. 也称“默认域名服务器” 当主机进行DNS 查询, 查询转发给

19、LNS 作为代理, 向域名服务器系统转发查询 2: Application Layer76 requesting host gaia.cs.mit.edu root DNS server local DNS server 1 2 3 4 5 6 authoritative DNS server dns.cs.mit.edu 7 8 TLD DNS server DNS 解析例子 H 域 某主机希望查询主机 gaia.cs.mit.edu 迭代查询: LNS依次查询域名服务 器层次结构中的各个服 务器，最终获得该主机 地址 2: Application Layer77 requesting ho

20、st cis. gaia.cs.mit.edu root DNS server local DNS server 1 2 4 5 6 authoritative DNS server dns.cs.mit.edu 7 8 TLD DNS server 3 递归查询: 将查询的负担完全交给 了查询对象 负担? DNS 解析例子 2: Application Layer78 DNS: caching 和记录更新 一个 DNS server 了解到域名映射后, 它会caches 映射 cache 有一定的 timeout 时间 TLD servers 通常会在LNS cache保存 Thus roo

21、t name servers not often visited update/notify 机制的设计在IETF文档中有说明 RFC 2136 http:/www.ietf.org/html.charters/dnsind-charter.html 14 2: Application Layer79 DNS 记录 DNS: 分布式存储数据库记录(resource records RR) Type=NS name 域名(e.g. ) value 是本域的权威域名 服务器 RR format: (name, value, type, ttl) Type=A name 是主机名 value 是 地

22、址 Type=CNAME name 是某台主机的别名 “canonical” (the real) name 是对外的名字 value 是权威的名字 Type=MX value 是邮件服务器的名字 2: Application Layer80 DNS 协议, 消息 DNS 协议: query 和 reply 消息, 具有相同的格式 msg header identification: 16 bit # 用于标识query, reply 时检 索那一次查询 # flags: query or reply recursion desired recursion available reply is

23、 authoritative 2: Application Layer81 DNS 协议, 消息 Name, type fields for a query RRs in response to query records for authoritative servers additional “helpful” info that may be used 2: Application Layer82 DNS插入一条记录 例如: 一个初始公司“Network Utopia” 注册：在DNS registrar (e.g., Network Solutions) 注册名字 提供该公司的权威域名

24、服务器的地址和名字 (primary and secondary) registrar 将两条RRs 插入 com TLD 服务器: (, , NS) (, 212.212.212.1, A) 生成权威服务器类型A记录： 类型A 记录 ; 类型MX 记录 。 DNS安全性 DDoS 攻击 流量轰击根服务器 Traffic Filtering Local DNS cache 流量轰击TLD服务器 潜在危险性更强 重定向攻击(Redirect attacks) Man-in-middle 查询劫持 DNS 污染 发送虚假DNS响应 利用DNS 进行DDoS攻击 发送虚假的回复IP地址 Applic

25、ation Layer2- 83 2: Application Layer84 15 2: Application Layer85 Chapter 2: Application layer 2.1 网络应用的原理 2.2 Web and HTTP 2.3 FTP 2.4 电子邮件 SMTP, POP3, IMAP 2.5 DNS 2.6 P2P 应用 2.7 TCP Socket 编程 2.8 UDP Socket 编程 2: Application Layer86 纯P2P架构 没有服务器 端系统之间直接通信 端系统：经常改变IP 间歇性地连接 Two topics: 文件分发 DHT pe

26、er-peer 2: Application Layer87 文件分发: Server-Client vs P2P Question : 分发一个大小为F的文件给N 个端节点 要花多少时间? us u2 d1 d2 u1 uN dN Server Network (with abundant bandwidth) File, size F us: 服务器上传带宽 ui:端节点i上传带宽 di:端节点i下载带宽 2: Application Layer88 文件分发时间: server-client us u2 d1 d2 u1 uN dN Server Network (with abunda

27、nt bandwidth) F 服务器顺序发送N 个拷贝: NF/ustime 客户机 i 下载时间 F/di time 随着N线性增加 (for large N) = dcs= max NF/us, F/min(di) i 分发文件F给N个用户的时间 client/server approach 2: Application Layer89 文件分发时间: P2P us u2 d1 d2 u1 uN dN Server Network (with abundant bandwidth) F 服务器顺序发送N 个拷贝: NF/ustime 客户机 i 下载时间 F/di time 总计NF b

28、its 必须被下载 可能的最快上传速率: us+ Sui dP2P= max F/us, F/min(di) , NF/(us+ Sui) i 2: Application Layer90 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 05101520253035 N Minimum Distribution Time P2P Client-Server Server-client vs. P2P: Client upload rate = u, F/u = 1 hour, us= 10u, dmin us 16 2: Application Layer91 文件分发: BitTorrent

29、 obtain list of peers trading chunks peer 文件分成 256KB chunks. tracker: 跟踪参与共享的peer torrent: 记录交换chunks 的多个peers 2: Application Layer92 BitTorrent (1) Peer 加入 torrent: 开始没有 chunks, 但是慢慢从其它地方下载积累 在 tracker 注册获得 peers列表, 与相邻的 peers (“neighbors”)取得联系 Peer downloading, 同时 uploading chunks 给其他 peers. Peer

30、加入离开是动态 Peer 下载完成, 可能离开 (selfishly) 或继续 (altruistically) 2: Application Layer93 BitTorrent (2) Pulling Chunks 不同 peers 具有不同的文 件 chunks 周期性的, peer (Alice) 问相邻peer 获得 chunks 列表. Alice 发送缺失的chunks 列表 rarest first (最稀罕优先) Sending Chunks: tit-for-tat Alice 发送chunks 给四个速 度最快的邻居 every 10 secs 重估top 4 every

31、 30 secs: 随机选择一个节点加入传输 可能成为最快的top 4 “optimistically unchoke (乐观激活？)” 2: Application Layer94 BitTorrent: Tit-for-tat (1) Alice随机选择(optimistically unchokes)了Bob； (2) Alice 成为了Bobs top-four 提供者; Bob 也回报Alice； (3) Bob 也成为了Alices top-four 之一。 较高上传速率的用户, 容易发现好的合作伙伴，更快地下载文件！ 2: Application Layer95 Distribu

32、ted Hash Table (DHT) Hash 表 DHT 例子 环状 DHT 和叠加网络 Peer 加入和离开 17 KeyValue John Washington132-54-3570 Diana Louise Jones761-55-3791 Xiaoming Liu385-41-0902 Rakesh Gopal441-89-1956 Linda Cohen217-66-5609 . Lisa Kobayashi177-23-0199 一个简单的数据库表，(key, value) 对: key: human name; value: social security # 简单的数据

33、库表 key: movie title; value: IP address Original KeyKeyValue John Washington8962458132-54-3570 Diana Louise Jones7800356761-55-3791 Xiaoming Liu1567109385-41-0902 Rakesh Gopal2360012441-89-1956 Linda Cohen5430938217-66-5609 . Lisa Kobayashi9290124177-23-0199 能够方便的存储和搜索数值表示的键值 key = hash(original key)

34、 Hash Table 在数百万的peer间分配 (key, value) 对 键值对在peers间均匀分布 所有的peer 能够query 在数据库中查询关键字 数据库返回 key的value 查询过程中, 相关的peers节点间交换少量的消息 每个 peer 仅知道几个其它的peer节点 Peer 能够加入和离开(churn) Distributed Hash Table (DHT) 给peers分配key-value对 规则:将key-value对分配给具有最近ID (closest ID)的peer节点. 惯例: 最近的peer节点是key的 immediate successor.

35、e.g., ID空间0,1,2,3,63 假设8 peers: 1,12,13,25,32,40,48,60 If key = 51, then assigned to peer 60 If key = 60, then assigned to peer 60 If key = 61, then assigned to peer 1 1 12 13 25 32 40 48 60 环状 DHT 每个peer节点 仅知道它的直接 successor 和predecessor. “叠加网络(overlay network)” 1 12 13 25 32 40 48 60 Key 53 的value?

36、 value 平均O(N) 个消息, 假设有N peers 执行一次查询 18 带近路的环状DHT 每个peer 保留predecessor, successor, short cuts的IP 地址. 从6个减少到 3 个消息. 一种可能的设计： 每个peer包含O(log N) 个邻居, 每次查询的消息数降为O(log N) 1 12 13 25 32 40 48 60 Key 53 的value? value Peer加入和离开 example: peer 5 abruptly leaves 1 3 4 5 8 10 12 15 handling peer churn: peers 可能加

37、入和离开(churn) 每个peer 知道两个后继的地址 每个peer 周期性的pings两个后 继以检测活性 如果直接后继离开, 选择下一 后继为当前直接后继 Peer加入和离开 example: peer 5 abruptly leaves peer 4 检测到peer 5的离开; 选择8 它的直接后继 4 询问8 谁是它的直接后继; 选择8的直接后继为自 己的第二后继. 1 3 4 8 10 12 15 handling peer churn: peers 可能加入和离开(churn) 每个peer 知道两个后继的地址 每个peer 周期性的pings两个后 继以检测活性 如果直接后继离开, 选择下一 后继为当前直接后继