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应用层协议——原理

By | 2018年8月31日

应用层协议——原理
应用层协议的实现,只需要写出能够运行在不同的端系统(服务器、手机、电脑等)和通过网络彼此通信的程序。因为网络核心设备(路由器、交换机等,不包括端系统设备)并不在应用层上起作用,只在网络层及下面层次起作用,所以不需要为网络核心设备写对应的应用程序,即开发应用程序的时候只需要考虑适配端系统,不需要考虑网络核心设备。

网络应用程序体系结构
目前主流的网络应用程序体系结构有两种:客户-服务器体系结构(client-server architecture)和对等体系结构(P2P)。

客户-服务器体系结构(client-server architecture):在客户-服务器体系结构中,至少有一个打开的主机,被称为服务器,它服务来自其他许多称为客户的主机的请求。web应用程序就是一个典型的例子,他总是有至少一个web服务器在运行来响应浏览器的请求。客户-服务器体系结构的一个特征就是服务器具有固定且被知晓的IP地址。
对等体系结构(P2P):P2P体系结构对位于数据中心的专用服务器有最小的(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,这些主机对被称为对等方。这些对等方并不为服务提供商所有,为用户控制的台式机、笔记本等所有。因为这种对等方通信不必通过专门的服务器,该体系被称为对等方到对等方。
进程通信
进程的定义
在操作系统中,进行通信的实际上是进程(process)而不是程序。一个进程可以被认为是运行在端系统中的一个程序。
两个不同端系统上的进程,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报文发送回去进行响应。
每对通信进程,我们通常将这两个进程之一标识为客户(client),另一个进程标识为服务器(server)。P2P文件共享的某些应用中,一个进程能够既是客户又是服务器。所以我们可以这样定义客户和服务器进程:在给定的一对进程之间的通信回话场景中,发起通信(即在该会话开始时发起与其他进程的联系)的进程被标识为客户,在会话开始时等待联系的进程是服务器。

进程与计算机网络直接的接口
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。套接字是同一台主机内应用层与运输层之间的接口,在发送端的应用程序将报文推进套接字,在该套接字的另一侧,运输层协议负责是该报文进入接收进程的套接字。由于该套接字是建立网络应用程序的可编程接口,因此套接字也称为应用程序和网络之间的应用程序编程接口(Application Programming Interface, API)。应用程序开发者可以控制套接字在应用层的一切,但对改套接字的运输层端几乎没有控制权。开发者对运输层的控制仅限于:①选择运输层协议;②也许能设定几个运输层参数,如最大缓存和最大报文段长度等。一旦开发者选择了一个运输层协议,则应用程序就建立在由该协议提供的运输层服务上。

进程寻址
在一台主机上运行的进程为了向在另一台主机上运行的进程发送分组,接收进程需要有一个地址。为了标识改接收进程,需要定义两种信息:①主机的地址;②定义在目的主机中的接收进程的标识符。
在因特网中,主机由其IP地址(IP address)标识。IP地址是一个32比特的量且能够唯一地标识主机。因为一台主机能够运行多个网络应用,发送报文时,发送进程除了要知道目的地的主机地址外,还需要指定运行在接收主机上的接收进程(接收套接字)。目前比较流行的端口有:Web服务器的80端口、SMTP的25端口等。

运输服务
可供应用程序使用的运输服务
网络中运输层的协议不止一种,开发应用时需要根据需求选择相对应的运输层协议。根据对运输层服务的要求,可以将运输层服务大体分为四类:可靠数据传输、吞吐量、定时、安全性。

可靠数据传输
有时候数据丢失可能会造成灾难性的后果,所以必须做一些工作以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。如果一个协议提供了这样的确保数据交付服务,就认为提供了可靠数据传输(reliable data transfer)。当运输协议提供这种服务时,发送进程只要将其数据传递进套接字,就可以完全相信该数据将能无差错地到达接收进程。
此外,某些进程不能提供可靠数据传输,由发送进程发送的某些数据可能不能够到达接收进程。这种运输层协议一般用于多媒体应用,如音频、视频等。这些应用能够承受一定量的数据丢失,却并不致命。

吞吐量
在沿着一条网络路径上的两个进程之间的通信会话场景中,可用吞吐量就是发送进程能够向接收进程交付的比特速率。因为其他会话将共享沿着该网络路径的带宽,并且因为这些会话将会到达和离开,该可用吞吐量将随时间波动。这就要求运输层协议能够以某种特定的速率提供确保的可用吞吐量,及吞吐量服务。使用这种服务,该应用程序能够请求r比特/秒的确保吞吐量,并且该运输协议能够确保可用吞吐量总是至少为r比特/秒。

定时
运输层协议能提供定时保证,如发送方注入进套接字中的每个比特到达接收方的套接字不迟于100ms。这种服务队交互式实时应用程序具有很大的吸引力,如网络电话、网络交互游戏等,这些应用为了有效性而要求数据交付有严格的时间限制。

安全性
运输协议能够为应用程序提供一种或多种安全性服务。例如,在发送主机中,运输协议能够加密由发送进程传输的所有数据,在接收主机中,运输层协议能够在数据交付给接收进程之前解密这些数据。运输协议还能提供机密性以外的其他安全性服务,包括数据完整性和端点鉴别。

因特网提供的运输服务
因特网(更一般的是TCP/IP网络)为应用程序提供两个运输层协议,即UDP和TCP。当为因特网创建一个新的应用时,受限要做出的决定是选择UDP还是TCP。每个协议为调用它们的应用程序提供了不同的服务集合。下表为一些应用程序的服务要求。

TCP服务
TCP服务模型包括面向连接服务和可靠数据传输服务。当某个应用程序调用TCP作为运输协议时,该应用程序就能获得来自TCP的两种服务。

面向连接的服务:在应用层数据报文开始流动之前,TCP让客户和服务器互相交换运输层控制信息。这个所谓的握手过程提示客户和服务器,使它们为大量分组的到来做好准备。在握手阶段后,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的收发。当应用程序结束报文发送时,必须拆除该连接。
可靠的数据传送服务:通信进程能够依靠TCP,无差错、按适当顺序交付所有发送的数据。当应用程序的一端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。

TCP协议还具有拥塞控制机制,这种服务不一定能为通信进程带来直接好处,但能为因特网带来整体好处。当发送方和接收方之间的网络出现拥塞时,TCP的拥塞控制机制会抑制发送进程(客户或服务器)。

UDP服务
UDP是一种不提供不必要服务的轻量级运输协议,它仅提供最小服务。UDP是无连接的,因此在两个进程通信前没有握手过程。UDP协议提供一种不可靠数据传送服务,也就是说,当进程将一个报文发送进UDP套接字时,UDP协议并不保证该报文将到达接收进程。不仅如此,达到接收进程的报文也可能是乱序到达的。
UDP没有包括拥塞控制机制,所以UDP的发送端可以用它选定的任何速率向其下层(网络层)注入数据。

下表指出了一些流行的因特网应用所使用的运输协议:

因特网运输协议所不提供的服务
运输层协议服务有可靠数据传输、吞吐量、定时、安全性4个方面的服务。TCP提供了可靠的端到端数据传送,并且TCP在应用层可以很容易地用SSL来加强已提供安全服务。但是,TCP却没有提供吞吐量服务和定时服务,或者说因特网运输协议没有提供这两种服务。

应用层协议定义
应用层协议(application-layer protocol)定义了运行在不同端系统上的应用程序进程如何相互传递报文。主要有以下的定义:

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,如报文中的各个字段及这些字段是如何描述的
字段的语义,即这些字段中包含的信息的含义
一个进程何时以及如何发送报文,对报文进行响应的规则

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