Note2- 应用层

知识点

网络应用程序体系结构

客户机/服务器结构（C/S）
点对点结构（P2P）
混合结构。如 Napster，文件传输使用 P2P 结构，文件搜索使用 C/S 结构。

TCP 服务与 UDP 服务

TCP 服务
- 面向连接：客户/服务器进程间需要建立连接
- 可靠的传输
- 流量控制：发送方不会发送速度过快，超过接收方的处理能力
- 拥塞控制：当网络负载过重时能够限制发送方的发送速度
- 不提供时间/延迟保障
- 不提供最小带宽保障
UDP 服务
- 无连接
- 不可靠的数据传输
- 不提供可靠性保障/流量控制/拥塞控制/延迟保障/带宽保障

Web 应用遵循什么协议？

HTTP（超文本传输协议）

C/S 结构
- 客户 -Browser：请求、接收、展示 Web 对象
- 服务器 -Web Server：相应客户的请求，发送对象
传输层协议为 TCP
- 服务器在 80 端口等待客户请求
- 浏览器发起到服务器的 TCP 连接（创建套接字 Socket）
- 服务器接收来自浏览器的 TCP 连接
- 浏览器与 Web 服务器交换 HTTP 消息
- 关闭 TCP 连接
无状态协议
- 服务器不维护任何有关客户端过去所发请求的信息
两种类型
- 非持久性连接（每个 TCP 连接最多允许传输一个对象）
- 持久性连接（每个 TCP 连接允许传输多个对象）

非持续连接和持续连接

非持久性连接：
- 响应时间=2RTT+ 文件发送时间：
  - 发起、建立 TCP 连接：1 个 RTT
  - 发送 HTTP 请求消息到 HTTP 响应消息的前几个字节到达：1 个 RTT
  - 响应消息中所包含的文件/对象传输时间
- 问题：
  - 每个对象需要 2 个 RTT
  - 操作系统需要为每个 TCP 连接开销资源
持久性连接：
- 无流水的持久性连接
  - 客户端只有收到前一个响应后才发送新的请求
  - 每个被引用的对象耗时 1 个 RTT
- 带有流水机制的持久性连接
  - 客户端只要遇到一个引用对象就尽快发出请求
  - 收到所有的引用对象只需耗时约 1 个 RTT

HTTP 请求消息格式？

格式：

上传输入的方法：
- POST 方法
  - 在 entity body 中上传客户端输入
- URL 方法
  - 输入信息通过 request 行的 URL 字段上传
常用状态码
- 200：请求成功，信息在返回的响应报文中。
- 301 Moved Permanently：请求的对象已经被永久转移了，新的 URL 定义在响应报文的首部行中。客户软件将自动获取新的 URL。
- 400Bad Request：一个通用差错代码，指示该请求不能被服务器理解。
- 404 Not Found：被请求的文档不在服务器上。
- 505 HTTP Version Not Supported：服务器不支持请求报文使用的 HTTP 协议版本。

某些网站为了辨别用户身份、进行 session 跟踪而储存在用户本地终端上的数据

组件：

HTTP 响应消息的 cookie 头部行
HTTP 请求消息的 cookie 头部行
保存在客户端主机上的 cookie 文件，由浏览器管理
Web 服务器端的后台数据库

Web 缓存技术

条件性 GET 方法：

在 HTTP 请求消息中声明所持有版本的日期：if-modified-since:<date>，服务器接收到后，如果确认缓存版本是最新的，则响应消息中不包含对象且返回 304 状态码。

SMTP 协议

与 HTTP 对比：

相同
- 都使用命令/相应交互模式
- 命令和状态代码都是 ASCII 码
不同
- HTTP：拉式 (pull)，SMTP：推式 (push)
- HTTP：每个对象封装在独立的响应消息中。SMTP：多个对象在由多个部分构成的消息中发送

POP3 协议

认证过程：

客户端命令
- User：声明用户名
- Pass：声明密码
服务器相应
- +OK
- -ERR
事务阶段
- List：列出消息数量
- Retr：用编号获取消息
- Dele：删除消息
- Quit

IMAP 协议

所有消息保存在一个地方：服务器
允许用户利用文件夹组织消息
支持跨会话 (Session) 的用户状态：
- 文件夹的名字
- 文件夹与消息 ID 之间的映射等

为什么不使用集中式的 DNS？

单点失败问题
流量问题
距离问题
维护性问题

域名服务器有哪几种？

根域名服务器
- 本地域名服务器无法解析域名时，访问根域名服务器
顶级域名服务器
- 负责 com, org, net, edu 等顶级域名和国家顶级域名
权威域名服务器
- 组织的域名解析服务器，提供组织内部服务器的解析服务
本地域名服务器
- 不严格属于层级体系，当主机进行 DNS 查询时，查询被发送到本地域名服务器，本地域名服务器作为代理，将查询转发层级式域名解析服务器系统

DNS 域名解析过程？

迭代查询：被查询服务器返回域名解析服务器的名字
递归查询：将域名解析的任务交给所联系的服务器

DNS 记录格式是什么样的？

RR format: (name, value, type, ttl)

Type	记录形式
A	（主机域名，IP 地址，type，ttl）
NS	（域，主机域名，type，ttl）
CNAME	（域名的别名，真实域名，type，ttl）
MX	（name，邮件服务器，type，ttl）

假如你创建了一个公司“Network Utopia”，你如何注册域名？

在域名管理机构注册域名 networkutopia.com
- 向域名管理机构提供你的权威域名解析服务器的名字和 IP 地址
- 域名管理机构向 com 顶级域名解析服务器中插入两条记录 (networkutopia.com, dns1.networklutopia.com, NS) 和 (dns1.networkutopia.com, 212.212.212.1, A)
在权威域名服务器中为 www.netwokuptopia.com 加入 Type A 记录，为 networkutopia.com 加入 Type MX 记录

文件最小分发时间怎么计算？

令 $u_{s}$ 为服务器上传带宽， $u_{i}$ 为节点 $i$ 的上传带宽， $d_{i}$ 为节点 $i$ 的下载带宽，有 $N$ 个节点

C/S 结构： $D_{c s} = m a x {\frac{N F}{u_{s}}, \frac{F}{d_{m i n}}}$

P2P 结构： $D_{P 2 P} = m a x {\frac{F}{u_{s}}, \frac{F}{d_{m i n}}, \frac{N F}{u_{s} + \sum_{i = 1}^{N} u_{i}}}$

BitTorrent 协议的基本流程？

文件被划分为不同的 chunk，节点向 tracker 注册以获得节点清单，与邻居建立连接。节点下载的同时，也需要向其它节点上传 chunk。

节点定期查询每个邻居所持有的 chunk 列表
发送请求，请求获取缺失的 chunk
- 使用最稀缺优先的技术。首先请求在邻居中副本数量最少的 chunk
发送时，每 10s 选取正在向自己发送且速率最快的 4 个邻居发送 chunk

课后习题

P9. （缓存的作用）考虑下图，其中有一个机构的网络和因特网相连。假定对象的平均长度为 850 000 比特，从这个机构网的浏览器到初始服务器的平均请求率是每秒 16 个请求。还假定从接入链路的因特网一侧的路由器转发一个 HTTP 请求开始，到接收到其响应的平均时间是 3 秒。将总的平均响应时间建模为平均接入时延（即从因特网路由器到机构路由器的时延）和平均因特网时延之和。对于平均接人时延，使用 $Δ / (1 - Δ β)$ ，式中 $Δ$ 是跨越接入链路发送一个对象的平均时间， $β$ 是对象对该接入链路的平均到达率。

求出总的平均响应时间。

现在假定在这个机构 LAN 中安装了一个缓存器。假定命中率为 0.4，求出总的响应时间。

$L = 850 kbit, R_{a} = 15 Mbps, R_{l} = 100 Mbps α = 16 / s$

传输时延 $d_{t r a n s} = L / R_{a}$ ，流量强度 $I = α L / R_{a} = 0.907$ ，由前一章的 P14 题，排队时延为 $d_{q u e u e} = I L / R_{a} (1 - I)$ 。则总时间 $d = L / R_{a} + L / R_{l} + I L / R_{a} (1 - I) + 3 s = 3.57 s$
$h = 0.4$ ，则流量强度为 $I = α (1 - h) L / R_{a} = 0.544$ ，后面同理，得 $d_{1} = 3.124 s$ ，故总的平均相应时间为 $d = (1 - h) d_{1} + h L / R_{l} = 1.8 s$ 。

P10. （持久连接与非持久连接对象传输耗时对比）考虑一条 10 米短链路，某发送方经过它能够以 150bps 速率双向传输。假定包含数据的分组是 100 000 比特长，仅包含控制（如 ACK 或握手）的分组是 200 比特长。假定 N 个并行连接每个都获得 1/N 的链路带宽。现在考虑 HTTP 协议，并且假定每个下载对象是 100Kb 长，初始下载对象包含 10 个来自相同发送方的引用对象。在这种情况下，经非持续 HTTP 的并行实例的并行下载有意义吗？现在考虑持续 HTTP。你期待这比非持续的情况有很大增益吗？评价并解释你的答案。

非持久并行：

如图，设 $T_{p}$ 表示客户端和服务器之间的单向传播延迟，控制分组单向传输时间设为 $t_{1} = 200 / 150$ ，获取初始对象的时间为 $t_{2} = 3 (t_{1} + T_{p}) + 100 k / 150 + T_{p}$

当传输引用对象时，由于是 10 个并行传输，速率为 $150 / 10 = 15 bps$ ，故 $t_{3} = 3 \times (200 / 15 + T_{p}) + 100 k / 15 + T_{p}$

总时间 $t = t_{2} + t_{3} = 7377 s + 8 T_{p}$

持续连接：

$t = 3 (t_{1} + T_{p}) + 100 k / 150 + T_{p} + 10 (t_{1} + 100 k / 150 + 2 T_{p}) = 7351 s + 24 T_{p}$ ，因为对象太少，并行完全可以处理，而持久连接只不过省了一次建立连接的时间，差别不大。

P23. （C/S 模式文件分发时间的理解）考虑使用一种客户 - 服务器体系结构向 N 个对等方分发一个 F 比特的文件。假定一种某服务器能够同时向多个对等方传输的流体模型，只要组合速率不超过 $u_{s}$ ，，则以不同的速率向每个对等方传输。

假定 $u_{s} / N \leq d_{m i n}$ 。定义一个具有 $N F / u_{s}$ 分发时间的分发方案。

假定 $u_{s} / N \geq d_{m i n}$ 。定义一个具有 $F / d_{m i n}$ 分发时间的分发方案。

得出最小分发时间通常是由 $m a x {N F / u_{s}, F / d_{m i n}}$ 所决定的结论。

这是说当前的瓶颈是服务器的上载能力。所以最小分发时间为 $N F / u_{s}$ ，令服务器向每个客户端分发的带宽均为 $u_{s} / N$ 即可达到这个最小值。
这种情况下，只需要令服务器向每个客户端分发的带宽均为 $d_{m i n}$ 即可。

P24. （P2P 模式文件分发时间的理解）考虑使用 P2P 体系结构向 N 个对等方分发一个 F 比特的文件。假定一种流体模型。为了简化起见，假定 $d_{m i n}$ 很大，因此对等下载带宽不会成为瓶颈。

假定 $u_{s} \leq (u_{s} + u_{1} + \dots + u_{N}) / N$ 。定义一个具有 $F / u_{s}$ 分发时间的分发方案。

假定 $u_{s} \geq (u_{s} + u_{1} + \dots + u_{N}) / N$ 。定义一个具有 $N F / (u_{s} + u_{1} + \dots + u_{N}$ ) 分发时间的分发方案。

令 $u = u_{1} + \dots + u_{N}$

说明服务器的上载能力稍弱。分发方案为：将文件按 N 个对等方上载带宽的比值划分成 N 份。同时，服务器也按对等方上载带宽的比值划分服务器的上载带宽。而每个对等方均向其它对等方划分与从服务器下载带宽相同的带宽。如下图所示：以 $P_{1}$ 为例，从节点上载角度来看，由 $u_{s} \leq (u_{s} + u) / N$ ，得 $(N - 1) \frac{u_{1}}{u} u_{s} \leq u_{1}$ ，所以，每个节点可以这样分配带宽。从节点下载角度来看，每个节点下载带宽为 $\frac{u_{1} + u_{2} + \dots + u_{N}}{u} u_{s} = u_{s}$ ，即时间为 $F / u_{s}$
将文件分为 N+1 份，方案如图：证明略

MOOC 习题

假设你在浏览某网页时点击了一个超链接，URL 为“https://www.kicker.com.cn/index.html”，且该 URL 对应的 IP 地址在你的计算机上没有缓存；文件 index.html 引用了 8 个小图像。域名解析过程中，无等待的一次 DNS 解析请求与响应时间记为 RTTd，HTTP 请求传输 Web 对象过程的一次往返时间记为 RTTh。请回答下列问题：

你的浏览器解析到 URL 对应的 IP 地址的最短时间是多少？最长时间是多少？

若浏览器没有配置并行 TCP 连接，则基于 HTTP1.0 获取 URL 链接 Web 页完整内容（包括引用的图像，下同）需要多长时间（不包括域名解析时间，下同）？

若浏览器配置 5 个并行 TCP 连接，则基于 HTTP1.0 获取 URL 链接 Web 页完整内容需要多长时间？

若浏览器没有配置并行 TCP 连接，则基于非流水模式的 HTTP1.1 获取 URL 链接 Web 页完整内容需要多长时间？基于流水模式的 HTTP1.1 获取 URL 链接 Web 页完整内容需要多长时间？

本地域名解析服务器中包含要访问的 URL 对应的 IP 地址时，所需时间最短，为 RTTh。若不包含，且需要请求到根域名服务器，则顺序为：客户端 -> 本地域名服务器 -> 根域名服务器 -> cn -> com.cn -> kicker.com.cn。共 5 RTTd
需要 18RTTh。因为 HTTP1.0 是非持久性链接的，每个 TCP 连接最多允许 1 个对象传输，所以一共建立 9 次 TCP 连接，耗时 2 $\times$ 9=18RTTh。
需要 6RTTh。浏览器配置 5 个并行 TCP 连接，一开始建立 TCP 连接，获得 index.html 文件耗时 2 个 RTTh。然后由图像地址信息，在 2 轮并行处理下完成 8 个图像的加载工作。2 $\times$ 2 个 RTTh。所以耗时 2+4=6RTTh。
非流水：2 + 8 = 10 RTTh，流水：2 + 1 = 3 RTTh