网络应用原理

网络应用架构

目前有两种主流的网络应用架构：

• 客户-服务器架构（Client-server）

  • 服务器（server）:
    • 有一台总是在线的主机，上面运行着服务器程序(server)
    • 服务器主机(server machine)具有永久的、众所周知的地址
  • 客户（client）
    • 用户终端上运行一个客户程序(client)，需要时与服务器程序通信，请求服务
    • 客户机（client machine）使用动态地址，通常不会总是在线

  客户只与服务器通信，客户之间不通信
  

• 对等架构（Peer-to-peer ，P2P)

  • 没有总是在线的服务器主机
  • 任意一对端系统（对等方）可以直接通信
  • 对等方多为用户自己的计算机，使用动态地址
  • 每个对等方既可请求服务，也可提供服务
  • 典型的P2P应用：
    • BT、迅雷
    • Skype
    • PPLive

两种架构的比较

客户-服务器架构	P2P架构
资源集中：资源(服务)只在某些固定的终端上提供	任何终端都可以提供资源(服务)
资源发现简单	易于扩展、均衡网络流量
集中式计算带来的问题：服务端扩容压力、网络流量不均衡、响应延迟长	资源发现困难、社会问题（版权、安全性等）

不同终端上的进程通信

不管采用哪种网络应用架构，都需要解决不同终端上应用程序之间的通信问题。按照操作系统的术语，在端系统上运行的程序称为进程。因此，不同终端上的网络应用程序通信，就是不同终端上的进程进行通信。

• 进程：主机上运行的程序
• 在分布式应用中，不同终端上的进程需要通信
• 进程通信的方法：
  • 同一个主机内：进程间通信机制（OS提供)
  • 在不同主机上：通过交换报文进行通信
• 一次确定的通信会话中，总能标示一方为客户进程，另一方为服务器进程
  • 客户进程：主动发起请求的进程
  • 服务器进程：接收请求的进程

进程与网络的接口：套接字（socket）

设想在应用程序和网络之间存在一扇门（套接字）：

• 发送报文：发送进程将报文推到门外
• 门外的运输设施（因特网）将报文送到接收进程的门口
• 接收报文：接收进程打开门，艮即可收到报文

套接字是应用层和传输层的接口，也是应用程序和网络之间的API

进程编址

每个进程都需要一个标识，以便其它进程能够找到它。

在因特网中，主机是使用IP地址标识的，使用IP地址能够标识进程吗？

不能，因为一台主机上通常运行着许多进程。

端口号：用于区分同一个主机上的不同进程。

进程标识包括:

• 主机地址
• 与该进程关联的端口号

端口范围：端口号是一个16位的整数，范围是0-65535。

端口号的例子：HTTP server使用端口80，Mail server使用端口25

端口号与IP地址结合：在网络通信中，IP地址 + 端口号 共同组成了一个完整的标识符，这就是所谓的套接字（Socket）地址。例如，192.168.1.1:80表示IP地址为192.168.1.1的设备上，HTTP服务的端口号为80。

传输服务

在创建一个应用程序时，开发者需要选定一种传输服务

数据完整性 (Data Integrity)

• 要求：确保传输的数据在传输过程中不被损坏或篡改。
• 适用应用：许多应用需要完全可靠的数据传输，尤其是涉及重要文件或信息的传输，如文件传输、邮件传输等。

吞吐量 (Throughput)

• 要求：应用程序需要根据网络带宽的需求来选择适当的吞吐量。某些应用（如文件传输、视频流）可能需要较高的吞吐量。
• 适用应用：高吞吐量需求的应用包括文件传输、大规模数据传输等。

延迟 (Timing)

• 要求：一些应用对传输的延迟非常敏感，需要尽可能减少延迟，确保数据能迅速到达。
• 适用应用：延迟敏感的应用包括网络电话、实时视频会议、交互式网络游戏等。

安全性 (Security)

• 要求：某些应用对数据的加密性和完整性有很高的要求，防止数据在传输过程中被窃听或篡改。
• 适用应用：涉及敏感信息的应用，如银行交易、在线购物、电子邮件等，需要提供安全保障。

因特网能够提供的传输服务

因特网提供2种传输服务，分别用TCP和UDP协议实现

TCPservice:

• 面向连接：保证传输顺序
• 可靠传输:不出错
• 流量控制：发送进程不会“压垮”接收进程
• 拥塞控制：网络超载时抑制发送进程

不提供：及时性，最低带宽保证，安全性

UDP service：通过因特网接收和发送报文

不提供：顺序保证，可靠传输，流量控制，拥塞控制，及时性，最低带宽保证，安全性

应用层协议

应用层协议定义了不同应用进程之间交换的报文格式、字段及其语义，同时也规定了发送和接收报文时应遵循的规则。它是应用程序和网络之间的“语言”，通过这种协议，应用进程可以在不同计算机或设备间进行有效的通信。

应用层协议通常包括以下几个组成部分：

• 报文类型：规定了应用程序中不同类型的消息（请求、响应等）。
• 报文语法：定义了消息中各字段的格式和组织方式。例如，在HTTP协议中，报文由请求行、头部、体部分组成。
• 报文语义：每个字段或部分的具体含义。例如，HTTP的User-Agent字段表示客户端使用的浏览器或操作系统信息。
• 交换规则：定义了如何正确地交换报文，包括哪些报文可以顺序发送，哪些应该等待响应等。

协议分类

• 公共域协议：公共域协议通常是由标准组织（如IETF）定义，并且公开可用的协议。这些协议通常具有明确的报文格式和定义，且支持跨平台和跨应用程序的互操作性。
• 专用协议：除了公共域协议，某些应用程序或服务使用专用的协议，这些协议通常为特定应用或服务设计，并且可能不公开或为内部使用。专用协议通常用于公司或组织内部的特殊应用，

小结

为创建一个新的网络应用，需要：

• 选择一种网络应用架构：客户-服务器 or P2P
• 选择一种网络服务：TCP or UDP
• 确定一个端口号
• 定义应用层协议
• 编写客户程序和服务器程序（调用套接字接口）

网络应用和应用层协议：

• 应用层协议只是网络应用的一部分
• 网络应用还包括客户程序、服务器程序等