现代网络技术教程-自顶向下分析与设计(陆楠)1-11章 (4)

第 4 章 应用层协议与应用系统设计方 法
20世纪90年代，网络带宽的不断提高使得网络环境中的多媒 体应用成为现实。多媒体计算机逐渐从单机转向网络，出现了大 量的多媒体网络应用系统，其中典型的有网络视频会议系统、分 布式多媒体交互仿真系统、远程教学系统与远程医疗系统。通过 网络和多媒体技术的结合，参与者与计算机组成了一个统一的虚 拟环境。各个结点通过网络传输音频、视频和文字，这些多媒体 信息使用户感觉到处于一个共同的虚拟环境 之中。
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例如，一台运行着Web服务器程序的计算机，以Web页面形式
存储了很多用户需要的信息，可以同时为多个请求服务的用户提
供服务，那么这台计算机就叫做Weቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ服务器。客户端是运行Web浏
览器程序的计算机或PDA，甚至是一部手机。它向Web服务器提出
浏览请求，Web服务器接收到客户端的服务请求之后，将所需要
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图4-3 进程通信中的客户/服务器模型
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(1) 使用计算机的人是“用户”(User)，而不是“客 户”(Client)。在描述进程间的相互作用的客户/服务器模式中， 客户与服务器分别表示相互通信的两个端系统设备的应用程序进 程。
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3．P2P工作模式的特点 1) 纯P2P模式 在纯P2P模式的应用程序体系结构中，所有结点的地位是平 等的，都可以以对等方式直接通信。应用程序中没有一个需要一 直打开的专门的服务器程序。 纯P2P应用程序体系结构的典型例子是BT，它是一个P2P文件 共享应用程序。在P2P系统中，任何一个结点都可以提出服务请 求，查询和定位一个文件，对其他结点的服务请求进行响应，发 送文件或转发查询请求。
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(3) 当同时向服务器发出服务请求的客户数量比较多时，一 台服务器不能满足多个客户请求的需要，人们常常使用由多个服 务器组成的服务器集群(Server Farm)构成一个虚拟服务器。同 时，在客户数量比较少或者客户服务请求不频繁的情况下，也可 以将多种服务器的应用程序安装在一台计算机中，这样一台服务 器就可以提供多种网络服务功能。
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而对复杂的互联网结构，研究者必须遵循网络体系结构研究 中“分而治之”的分层结构思想，在解决过程中对复杂网络进行 简化和抽象。在各种简化和抽象中，将互联网系统分为边缘部分 和核心交换部分是最有效的方法之一。图4-1(a)给出了互联网中 的客户/服务器(C/S)工作模式以及客户机之间直接通信的对等 (P2P)工作模式的系统结构。图4-1(b)给出了将互联网抽象为边 缘部分和核心交换部分的结构示意图。
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图4-1 互联网端系统与核心交换部分
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2．端系统的概念 边缘部分的用户设备也称为端系统(End System)。端系统是 能够运行FTP应用程序、E-mail应用程序、Web应用程序或P2P文 件共享程序、即时通信程序的计算机。因此，端系统又被统称为 主机(Host)。需要注意的是，在未来的网络应用中，端系统的主 机类型将从计算机扩展到所有能够接入互联网的设备，如手持终 端PDA、固定与移动电话、数码相机、电视机、无线传感器网络 的传感器结点以及各种家用电器。
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网络视频会议系统是一种典型的多媒体网络应用系统。国际
电信联盟(ITU)定义了基于电信网络的多媒体会议系统标准H.320
和H.323。微软公司的NetMeeting和多播主干网(Multicast
backbone，Mbone)上的vic、vat等工具也可以用来建立网络会议
第 4 章 应用层协议与应用系统设计方 法
第4章 应用层协议与应用系统设计方法
4.1 网络应用与应用系统设计方法 4.2 域名系统DNS 4.3 动态主机配置协议DHCP 4.4 电子邮件系统 4.5 FTP协议与文件传输 4.6 Web服务与HTTP协议 4.7 即时通信与SIP协议 4.8 网络管理与SNMP协议 习题
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由于作为P2P文件共享应用系统的成员可能是一台通过ADSL 接入的个人计算机，那么这台计算机必须通过一个ISP接入到互 联网中，显然，这台计算机每次接入互联网的IP地址可能是由 ISP临时分配的，因此这台运行着P2P文件共享软件的计算机每次 工作时的IP地址都有可能不同。这一点与传统C/S工作模式的做 法是不一样的。在传统C/S工作模式中，作为客户端的计算机可 能通过ADSL接入，它的地址可能是临时分配的；而作为服务器， 它的IP地址在分配过程中一般都会分配固定的IP地址。否则， DNS的域名解析过程将无法实现。
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4.1.4 网络应用与应用层协议
1．网络应用与应用层协议的基本概念 Web系统包括Web服务器程序、Web浏览器程序、文档格式标 准—超文本标记语言(HTML)以及一个应用层的协议—超文本传输 协议(HTTP)。HTTP协议定义了Web浏览器与Web服务器之间传输的 报文格式、会话过程和交互顺序。
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4.1.5 网络应用对低层提供服务的要求
传输层为网路应用程序提供的服务质量(QoS)主要表现在三 个方面：数据传输的可靠性、带宽和延时。在E-mail、FTP、 TELNET、Web、IM、IPTV、VoIP以及基于网络的金融应用系统、 电子政务、电子商务、远程医疗、远程数据存储等应用中，它们 对数据传输的可靠性、带宽和延时的要求不同。
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图4-2 应用程序体系结构的基本概念
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4.1.2 应用进程间的相互作用模式
1．应用进程间的相互作用模式的基本概念 图4-3给出了进程通信中的客户/服务器模式。在一次通信过 程中，如果主机A首先发起一次进程通信，那么主机A的进程为客 户进程，而响应的主机B的进程为服务器进程。如果是主机B发起 的一次进程通信，那么主机B的进程为客户进程，而响应的主机A 的进程为服务器进程。
第 4 章 应用层协议与应用系统设计方 法
3．应用层协议的类型 应用层协议分为两种类型。一类是标准的网络应用，例如Email、FTP、TELNET、Web等，它们的协议以RFC文档的方式公布 出来，提供给网络应用系统开发者使用。如果他们遵循RFC文档 所制定的应用层协议规则，就可以与所有按照相同协议开发的应 用系统互联和互操作。另一类应用层协议是专用的，目前很多 P2P文件共享的应用层协议都属于专用协议。
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2．应用层协议的基本内容 应用层协议定义了运行在不同端系统上应用程序进程交换的 报文格式和交互过程，主要包括： (1) 交换报文的类型，如请求报文与应答报文。 (2) 各种报文格式与包含的字段类型。 (3) 对每个字段意义的描述。 (4) 进程在什么时间、如何发送报文以及如何响应。
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3．应用程序体系结构的概念 将复杂的互联网抽象为边缘部分与核心交换部分后，网络应 用程序设计员在设计一种新的网络应用时，只需要考虑如何利用 核心交换部分所能提供的服务，不涉及核心交换部分的路由器、 交换机等低层设备和和通信协议软件的编程问题。注意力可以集 中到运行在多个端系统之上应用程序体系结构(Application Architecture)的设计与软件编程上，这就使得网络应用系统的 设计开发过程变得比较容易和规范。
第 4 章 应用层协议与应用系统设计方 法
4.1 网络应用与应用系统设计方法
4.1.1 互联网端系统与核心交换的基本概念
1．互联网边缘部分和核心交换部分 作为互联网应用系统的一个用户，可能在深圳大学某实验室 的一台计算机前，正在使用位于美国某大学合作伙伴实验室的一 台超级计算机，合作完成一项大型的分布式计算任务。在设计这 种基于互联网的分布式计算软件系统时，设计者关心的是协同计 算的功能是如何实现的，而不是每一条指令或数据具体是以长度 为多少个字节的分组以及通过哪一个路径传输到对方的。
第 4 章 应用层协议与应用系统设计方 法
这也就是说，作为基于互联网的协同计算软件设计者，他的 研究重点应该放在应用系统的体系结构、应用层协议与协议的交 换过程以及协议编程技术上，而把网络环境中的进程通信、数据 传输过程中的路由与分组交付、比特流的传输等问题交给传输层、 网络层及低层协议去完成。应用程序设计者的任务是如何合理地 利用传输层、网络层等低层所提供的服务，而不需要考虑低层的 数据传输任务是由谁、使用什么样的技术以及通过什么样的硬件 或软件方法去实现的。
(2) 在讨论E-mail、FTP和Web服务时，似乎应用层和传输层 的客户与服务器、请求服务与提供服务的角色是一致的，但是在 P2P应用中已经不存在固定的客户与服务器的关系，因此在P2P应 用中客户与服务器的概念更准确地表现在进程通信的层面。
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2．P2P应用程序体系结构的特点 与C/S的应用程序体系结构相比，对等结构的P2P应用程序体 系结构中所有结点的地位是平等的，系统中不存在一直处于打开 状态、等待客户服务请求的服务器。P2P应用程序体系结构中的 每个结点都既可以是发出信息共享请求的客户，又可以是为其他 对等结点提供共享信息的服务器。
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电子邮件系统包括邮件服务器程序与邮件客户端程序。要实
现电子邮件服务就需要制定电子邮件报文格式标准，定义如何在
服务器与服务器之间、服务器与邮件客户端程序之间传送报文的
协议，以及对邮件报文的报头格式解释的规定。电子邮件的应用
层协议是简单邮件传输协议(SMTP)。
的信息发送给客户端，用户通过浏览器来阅读有关的信息。
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2．C/S工作模式的特点
C/S工作模式具有以下几个特点：
(1) 服务器程序在固定的IP地址和熟知的端口号上一直处于
打开状态，随时准备接收客户端的服务请求。客户端程序可以根
据用户需要，在访问服务器时打开。
(2) 客户端之间不能够直接通信。
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4.1.3 应用层C/S工作模式与P2P工作模式
1．服务器程序与服务器 在应用层C/S工作模式中，作为端系统的计算机可以分为客 户端与服务器端。服务器程序与客户程序是协同工作的两个部分。 在互联网的很多网络应用(如FTP、E-mail、Web)中，服务器应用 程序运行在一台高配置计算机中，这台计算机专门提供一种或几 种网络服务功能。
第 4 章 应用层协议与应用系统设计方 法
其中有一类应用，例如基于网络的金融应用系统、电子政务、 电子商务、远程医疗、远程数据存储等应用，它们对数据传输的 可靠性要求高，一次数据传输错误可能导致重大损失。另一类应 用，例如IPTV、VoIP等，它们对带宽和延时要求比较高，而对数 据传输的可靠性要求不是很严格，一个分组的丢失一般不会影响 语音和图像的收听或收看效果。多媒体网路应用则对网络端到端 的传输质量提出了更高的要求。
环境。网络会议的参与者可以看到会议的进展情况，可以接收到
正在发言人的声音和图像等，并可以亲自参与问题的讨论。
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2) P2P与C/S的混合模式 随着P2P规模的扩大，很多P2P应用实际上采用了P2P与C/S的 混合模式，第一个流行的MP3文件共享应用程序Napster就是一个 典型例子。在Napster系统中，共享的MP3文件是在两个对等结点 之间直接传输，但是提出共享请求的结点需要通过一个查询服务 器找到当前打开的对等结点的地址。目前大量使用的P2P即时通 信程序也采用了P2P与C/S的混合模式。