Jun 13, 2026

miniyuan

应用层

应用层概述

网络应用体系结构

网络应用仅在端系统运行，核心网络设备不运行用户程序。

体系结构	通信方式	服务器特征	客户端特征	典型应用
C/S	通过服务器间接通信	固定 IP，长期在线，数据中心集群	动态 IP，断续在线，互不直接通信	Web、Email
P2P	主机直接通信	无固定服务器	既是客户也是服务方，自扩展性	迅雷、BT

自扩展性：文件共享中，对等方增加带来负载增加，但同时服务能力也增加。

进程通信与寻址

进程（process）：主机上运行的应用程序。同一主机内用 IPC，不同主机间通过网络交换消息。

Socket：应用层与传输层之间的编程接口，由操作系统提供，负责消息收发。

进程寻址：仅用 IP 无法区分同一主机上的多个进程，故采用 IP 地址 + 端口号。

HTTP server：80
Mail server：25

应用层协议

定义内容：

消息类别：request / response
消息语法：字段划分
消息语义：字段含义
时序规则：何时发送请求/响应

协议类型	定义方式	互操作性	示例
开放协议	RFC	允许互操作	HTTP、SMTP
专用协议	私有	封闭	Skype

传输服务需求与供给

需求维度	说明	典型应用
可靠性	部分应用需可靠传输（文件、Web），部分可容忍丢失（音频）	FTP、HTTP / 流媒体
实时性	低延迟要求	网络电话、交互游戏
吞吐量	带宽敏感 vs 弹性	多媒体 / 文件传输
安全性	保密、完整、认证	金融交易

TCP 提供的服务：

可靠传输、流量控制、拥塞控制
面向连接
不提供：定时、最小数据率保证、安全性

UDP 提供的服务：

不可靠数据传输
不提供：可靠性、流量控制、拥塞控制、定时、数据率保证、安全性、连接建立

为何存在 UDP？ 以 DNS 为例，若用 TCP 则开销大、延迟长、服务器负担重。

SSL/TLS：在应用层提供加密的 TCP 连接，保证数据完整性与端认证。应用层通过 SSL socket API 将明文交给 socket，经互联网加密传输。

Socket 编程

系统调用与套接字

套接字描述符表（每进程一个）由操作系统维护，记录：

协议族（如 PF_INET）
服务类型（如 SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM）
本地/远地 IP 地址与端口

TCP Socket 交互

TCP 面向连接，分三阶段：

1. 连接建立阶段：

调用方	系统调用	作用
服务器	`socket()`	创建套接字
服务器	`bind()`	绑定本地地址（熟知端口 + IP）
服务器	`listen()`	设为被动方式，等待请求
服务器	`accept()`	提取连接请求，返回新连接套接字
客户端	`socket()`	创建套接字
客户端	`connect()`	发起连接建立请求

并发服务器：主进程调用 accept() 后 fork() 从属进程处理连接，主进程继续监听。

2. 传送阶段：send() / recv()

3. 连接释放阶段：close()

服务器端: socket → bind → listen → accept → recv/send → close
客户端:   socket → connect → recv/send → close

UDP Socket 交互

UDP 无连接，发送前不握手。发送方显式附加目标 IP 与端口，接收方提取发送方地址。

服务器端: socket → bind → recvfrom/sendto → close
客户端:   socket → sendto/recvfrom → close

文件传送协议

FTP

FTP 基于 TCP，采用 C/S 方式，屏蔽异构系统差异。

服务器进程组成：

主进程：打开熟知端口 21，等待请求；接收请求后启动从属进程。
从属进程：处理单个请求，处理完毕即终止。

两个 TCP 连接：

连接	端口	作用	生命周期
控制连接	`21`	传送命令与响应	整个会话期间保持
数据连接	`20`	实际传输文件	每次传输时建立，完毕后释放

使用两个端口号使协议简单，且传输中可利用控制连接发送终止命令。

TFTP

TFTP 基于 UDP，熟知端口 69，需自身实现差错改正。

主要特点：

数据 PDU 固定 512 字节（最后一块可不足）
块编号从 1 开始
支持 ASCII 或二进制
类似 停等协议：发完一块等待确认，超时重发

若文件长度恰为 512 字节整数倍，最后需发送一个仅含首部的空数据 PDU 作为结束标志。

NFS

NFS 允许远程打开文件并在特定位置读写，仅传输少量修改数据，而非整个文件。

远程终端协议

TELNET 与 NVT

TELNET 基于 TCP，实现本地终端到远地主机的透明登录。

网络虚拟终端 NVT：

客户将本地击键转换为 NVT 格式 送交服务器
服务器将 NVT 格式转换为远地系统格式
返回数据时反向转换

NVT 作为统一中间格式，屏蔽异构系统的差异。

超文本传输协议与万维网

URL

统一资源定位符 URL 格式：

<<协议>://<<主机>:<<端口>/<路径>

使用 HTTP 的 URL：

http://<<主机>:<<端口>/<路径>

HTTP

工作过程：

服务器进程持续监听 TCP 端口 80
浏览器建立 TCP 连接后发送请求
服务器返回响应页面
释放 TCP 连接

主要特点：

基于 TCP，本身 无连接（交换完报文即释放）
HTTP 1.0 无状态（stateless）
HTTP 1.1 使用 持续连接（persistent connection）

请求一个文档的时间：

T_{total} = 2 \cdot \text{RTT} + T_{trans}

一个 RTT 用于建立 TCP 连接，一个 RTT 用于请求与响应， $T_{trans}$ 为传输文档时间。

持续连接的两种方式：

方式	机制	优点	缺点
非流水线	收到前一个响应后才能发下一个请求	省去一个 RTT	服务器空闲，资源浪费
流水线	未收到响应即可连续发送请求	所有对象仅需约一个 RTT，效率高	需服务器支持连续响应

代理服务器（Web Cache）：

代表浏览器发出 HTTP 请求
缓存近期请求与响应
命中时直接返回本地缓存，减少访问互联网时延

HTTP 报文结构：

请求报文：

┌─────────────────────────────────────────┐
│  方法    空格    URL    空格    版本      │  ← 请求行
│  首部字段名 : 值                          │  ← 首部行
│  ...                                    │
│  [实体主体]                              │
└─────────────────────────────────────────┘

响应报文：

┌─────────────────────────────────────────┐
│  版本    空格   状态码   空格   短语       │  ← 状态行
│  首部字段名 : 值                          │
│  ...                                    │
│  [实体主体]                              │
└─────────────────────────────────────────┘

状态码分类：

类别	含义	示例
1xx	通知信息	请求收到，正在处理
2xx	成功	接受、知道
3xx	重定向	需进一步行动
4xx	客户差错	语法错误、无法完成
5xx	服务器差错	服务器失效

Cookie：

服务器为用户生成唯一识别码
在 HTTP 服务器与客户之间传递状态信息
用于跟踪用户在该网站的活动

万维网文档技术

技术	作用	说明
HTML	超文本标记语言	定义页面结构与超链，浏览器解释标签并排版
XML	可扩展标记语言	传输数据而非显示数据
XHTML	可扩展超文本标记语言	更严格的 HTML，作为 XML 应用
CSS	层叠样式表	定义 HTML 文档布局与格式

动态文档 vs 静态文档 vs 活动文档：

类型	内容生成位置	特点	技术
静态文档	服务器预先存放	内容不变	普通 HTML
动态文档	服务器端运行时创建	由应用程序根据请求生成	CGI
活动文档	客户端运行	服务器返回程序副本，由浏览器执行	Java Applet

CGI（通用网关接口）：

定义动态文档创建、输入数据提供、输出结果使用的标准
CGI 程序（脚本）由解释程序执行，非直接编译运行

Java 技术：

源程序编译为与机器无关的 字节码（bytecode）
由浏览器中的 JVM 解释执行
保证活动文档跨平台一致性

信息检索与社交应用

类型	机制	代表
全文检索	爬虫采集+索引数据库查询	Google、百度
分类目录	人工审核编辑关键词与描述	雅虎、新浪
垂直搜索	特定领域/人群/需求	行业搜索引擎

电子邮件

体系结构

电子邮件系统三大构件：

构件	功能	协议
用户代理 UA	撰写、显示、处理、通信（客户端软件）	—
邮件服务器	发送/接收邮件，报告传送状态	SMTP / POP3 / IMAP
协议	发送与读取规则	SMTP（推）、POP3/IMAP（拉）

邮件不会在互联网中的某个中间邮件服务器落地。

电子邮件地址格式：

\text{收件人邮箱名}@\text{邮箱所在主机的域名}

SMTP

基于 TCP，熟知端口 25
客户-服务器方式，命令-响应交互
文本协议（ASCII 码）

通信三阶段：

连接建立：发送方 SMTP 客户与接收方 SMTP 服务器建立 TCP 连接，不使用中间服务器
邮件传送：信封 + 首部 + 主体
连接释放：邮件发送完毕后释放 TCP 连接

邮件内容首部字段：

To:：收件人地址
Subject:：主题
Cc:：抄送
From / Date：发信人地址与日期
Reply-To：回信地址

邮件读取协议

特性	POP3	IMAP
连接方式	基于 TCP	基于 TCP
操作模式	离线	联机
下载策略	下载全部邮件	先下载首部，支持部分读取
文件夹管理	仅在客户端	客户端与服务器同步
邮件搜索	不支持	支持
联网需求	读取后可离线	查阅邮件必须联网

MIME

SMTP 局限：限于 7 位 ASCII，不能传送二进制/可执行文件，拒绝过长邮件。

MIME 不取代 SMTP，而是扩展邮件主体结构，定义非 ASCII 码传送编码规则。

新增 5 个首部字段：

MIME-Version
Content-Description
Content-Id
Content-Transfer-Encoding
Content-Type

内容传送编码：

编码	说明	适用场景
`7bit`	7 位 ASCII，每行 ≤1000 字符	缺省
`8bit`	8 位非 ASCII，每行 ≤1000 字节	短非 ASCII 文本
`Binary`	任意长度字节串	原始二进制
`Base64`	3 字节 → 4 字节 ASCII，开销 25%	任意二进制/非文本
`Quoted-printable`	非 ASCII 字节转为 `=XX` 形式，开销 200%	少量非 ASCII 数据

MIME Content-Type（类型/子类型）：

类型	子类型举例	说明
`text`	`plain`, `html`, `xml`	文本
`image`	`gif`, `jpeg`	静止图像
`audio`	`basic`, `mpeg`	音频
`video`	`mpeg`, `mp4`	视频
`application`	`octet-stream`, `pdf`, `zip`	应用程序数据
`message`	`http`, `rfc822`	封装报文
`multipart`	`mixed`, `alternative`	多部分组合

基于万维网的电子邮件

用户代理通过 HTTP 与邮件服务器交互
邮件服务器之间仍使用 SMTP
无需本地安装专用邮件客户端

简单网络管理协议

网络管理模型

五大功能：

故障管理、配置管理、计费管理、性能管理、安全管理

主要构件：

构件	作用	运行程序
管理站（NOC）	网络管理核心	管理程序（SNMP 客户）
被管设备	网络元素/网元	代理程序（SNMP 服务器）
委托代理	协议转换与过滤	管理非 SNMP 设备

SNMP 体系结构

SNMP 由三部分组成：

组成部分	作用
SNMP	定义管理站与代理间交换的分组格式（变量名及其状态值）
SMI	定义命名对象、对象类型、编码规则，确保语法语义无二义性
MIB	在被管实体中创建命名对象并规定类型，管理程序通过 MIB 信息管理网络

SMI 与 ASN.1

SMI 使用 ASN.1（抽象语法记法 1）定义所有 MIB 变量。

数据类型：

分类	类型	含义
简单类型	`INTEGER`	任意长度整数
	`BIT STRING`	二进制串
	`OCTET STRING`	字节串
	`NULL`	空值
	`OBJECT IDENTIFIER`	对象标识符
结构化类型	`SEQUENCE`	多类型有序组合
	`SEQUENCE OF`	同类型有序组合
	`CHOICE`	多选一
	`ANY`	任意类型

BER（基本编码规则）：采用 TLV 方法编码

┌─────┬─────┬─────┐
│  T  │  L  │  V  │
└─────┴─────┴─────┘

T（标记）：定义数据类型
L（长度）：定义 V 字段长度（单字节或多字节）
V（值）：定义数据值，可嵌套其他 TLV

MIB

MIB 仅包含 SNMP 可管理的对象。节点 mib-2 包含的信息类别：

类别	标号	信息
`system`	(1)	主机或路由器操作系统
`interfaces`	(2)	网络接口
`ip`	(4)	IP 软件
`icmp`	(5)	ICMP 软件
`tcp`	(6)	TCP 软件
`udp`	(7)	UDP 软件

SNMP 操作与报文

两种基本功能：

读（get）：检测被管对象状况
写（set）：改变被管对象状况

探询（polling）：管理进程定时向被管设备发送探询信息。

优点：系统简单，限制管理通信量
缺点：不够灵活，管理设备数受限，开销大

陷阱（trap）：被管对象代理检测到事件达到门限值时，主动向管理进程报告。

优点：仅在严重事件时发送，信息简单、字节少

传输层：使用无连接的 UDP

代理端使用熟知端口 161 接收 get/set 报文
管理端使用熟知端口 162 接收 trap 报文

SNMPv1 PDU 类型：

PDU 编号	名称	用途
`A0`	`GetRequest`	查询一个或一组变量值
`A1`	`GetNextRequest`	读取 MIB 树上下一个变量
`A2`	`Response`	代理或管理者发送响应
`A3`	`SetRequest`	设置一个或多个变量值
`A5`	`GetBulkRequest`	读取大数据块
`A7`	`SNMPv2Trap`	报告异常事件

P2P 应用

目录服务演进

代际	代表	目录机制	缺点
第一代	Napster	集中式目录服务器，文件传输分散	可靠性差，性能瓶颈
第二代	Gnutella	全分布式，洪泛法查询	查询流量大，定位准确性受限
第三代	BitTorrent / DHT	分布式散列表，结构化覆盖网络	—

BitTorrent

所有对等方集合称为洪流（torrent）
数据单元为固定长度的 文件块（chunk）
追踪器（tracker）：基础设施结点，提供对等方列表

数据策略：

最稀有优先（rarest first）：优先请求在相邻对等方中副本最少的文件块
一报还一报（tit-for-tat）：优先向当前以最高数据率向自己传送文件块的相邻对等方发送数据

P2P 文件分发时间下界：

设文件长度为 $F$ bit，主机数 $N$ ，服务器上传速率 $u_s$ ，各主机上传/下载速率 $u_i$ / $d_i$ ， $u_T = \sum u_i$ ， $d_{\min} = \min d_i$ 。

C/S 方式：

T_{cs} \ge \max\left( \frac{NF}{u_s},\; \frac{F}{d_{\min}} \right)

P2P 方式：

T_{p2p} \ge \max\left( \frac{F}{u_s},\; \frac{F}{d_{\min}},\; \frac{NF}{u_T} \right)

当 $N$ 很大时，P2P 方式上限趋于 $F/u_s$ 或 $NF/u_T$ ，而 C/S 随 $N$ 线性增长。

分布式散列表 DHT

利用散列函数将资源名 $K$ 映射为 资源名标识符 KID，结点 IP 地址 $N$ 映射为 结点标识符 NID
每个结点仅维护部分目录，任何结点可发起查询

Chord 环：

结点按标识符数值从小到大沿顺时针排列成环形覆盖网络
每个资源由 Chord 环上与其标识符值最接近的下一个结点提供服务

指针表（finger table）加速：

对于结点 $N$ ，第 $i$ 行计算 $\text{successor}(N + 2^{i-1})$
查询时，在路由表中选择位于目标范围内的最大后继结点转发，将 $O(N)$ 的线性查找降为 $O(\log N)$