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1. 第九章网络应用

2. 主要内容 9.1 应用层概述 9.2 客户/服务器模型 9.3 域名服务 9.4 简单网络管理协议SNMP 9.5 网络安全 9.6 电子邮件 9.7 WWW 9.8 文件传输协议FTP

3. Application: communicating, distributed processes running in network hosts in “user space” exchange messages to implement app e.g., email, file transfer, the Web Application-layer protocols one “piece” of an app define messages exchanged by apps and actions taken user services provided by lower layer protocols application transport network data link physical application transport network data link physical application transport network data link physical 9.1 应用层概述（1）

4. 9.1 应用层概述（2） • 应用层术语 • A process is a program that is running within a host. • Within the same host, two processes communicate with interprocess communication defined by the OS. • Processes running in different hosts communicate with an application-layer protocol • A user agent is an interface between the user and the network application. • Web:browser • E-mail: mail reader • streaming audio/video: media player

5. 9.1 应用层概述（3） API: application programming interface • defines interface between application and transport layer • socket: Internet API • two processes communicate by sending data into socket, reading data out of socket Q: how does a process “identify” the other process with which it wants to communicate? • IP address of host running other process • “port number” - allows receiving host to determine to which local process the message should be delivered

6. 9.1 应用层概述（4） • What transport service does an app need? • Data loss • some apps (e.g., audio) can tolerate some loss • other apps (e.g., file transfer, telnet) require 100% reliable data transfer • Bandwidth • some apps (e.g., multimedia) require minimum amount of bandwidth to be “effective” • other apps (“elastic apps”) make use of whatever bandwidth they get • Delay • some apps (e.g., Internet telephony, interactive games) require low delay to be “effective”

7. Transport service requirements of common apps Time Sensitive no no no yes, 100’s msec yes, few secs yes, 100’s msec yes and no Application file transfer e-mail Web documents real-time audio/video stored audio/video interactive games financial apps Data loss no loss no loss no loss loss-tolerant loss-tolerant loss-tolerant no loss Bandwidth elastic elastic elastic audio: 5Kb-1Mb video:10Kb-5Mb same as above few Kbps up elastic

8. Services provided by Internet transport protocols UDP service: • unreliable data transfer between sending and receiving process • does not provide: connection setup, reliability, flow control, congestion control, timing, or bandwidth guarantee TCP service: • connection-oriented: setup required between client, server • reliable transport between sending and receiving process • flow control: sender won’t overwhelm receiver • congestion control: throttle sender when network overloaded • does not providing: delay guarantees, minimum bandwidth guarantees

9. Internet apps: their protocols and transport protocols Application layer protocol smtp [RFC 821] telnet [RFC 854] http [RFC 2068] ftp [RFC 959] proprietary (e.g. RealNetworks) NSF proprietary (e.g., Vocaltec) Underlying transport protocol TCP TCP TCP TCP TCP or UDP TCP or UDP typically UDP Application e-mail remote terminal access Web file transfer streaming multimedia remote file server Internet telephony

10. request reply application transport network data link physical application transport network data link physical 9.2 客户/服务器模型（1） • 基本概念 • 客户/服务器模型是所有网络应用的基础。客户/服务器分别指参与一次通信的两个应用实体，客户方主动地发起通信请求，服务器方被动地等待通信的建立。

11. 9.2 客户/服务器模型（2） • 客户软件 • 任何一个应用程序当需要进行远程访问时成为客户，这个应用程序也要完成一些本地的计算； • 一般运行于用户的个人计算机上； • 向服务器主动发起通信请求； • 可以访问多个服务器，但一次只能访问一个； • 不需要特殊的硬件和复杂的操作系统。 • 服务器软件 • 是专用的提供某种服务的特权程序，可以同时处理多个远程客户； • 一般在系统启动时被执行，并连续运行以处理多次会话； • 被动的等待远程客户发起通信； • 需要特殊的硬件和复杂的操作系统。

12. 9.2 客户/服务器模型（3） • 数据在客户和服务器之间是双向流动的，一般是客户发出请求，服务器给出响应。 • 服务器软件的并发性 • 由于服务器软件要支持多个客户的同时访问，它必须具备并发性。服务器软件为每个新到的客户创建一个进程或线程来处理和这个客户的通信。服务器方传送层实体使用客户的源端口号和服务的端口号来确定正确的服务器软件进程（线程）。 • 服务器软件的组成 • 服务器软件一般分为两部分：一部分用于接受请求并创建新的进程或线程，另一部分用于处理实际的通信过程。

13. 9.2 客户/服务器模型（4） • 客户/服务器之间使用的传送层协议 • 可以是基于连接的TCP协议，要求建立和释放连接，适用于可靠的交互过程； • 也可以是无连接的UDP协议，适用于可靠性要求不高的或实时的交互过程； • 同时使用TCP和UDP的服务，有两种服务器软件的实现或服务器软件同时和TCP、UDP协议交互，不对客户做限制。 • 客户和服务器的交互 • 支持协议：在INTERNET中，客户和服务器的交互通过使用TCP/IP协议栈来完成。因此，客户和服务器所在的机器要求支持完全的协议栈。客户/服务器通过套接字访问传送层服务。

14. 9.2 客户/服务器模型（5） • 多种服务：一台计算机上可以运行多个服务器软件，但是要求计算机有强大的硬件资源（服务器级别的计算机）和多任务操作系统（UNIX和WIN95/98/2000/NT）。 • 服务的标识：客户是通过服务的标识来访问某种服务的，比如在INTERNET中，服务是用端口号来标识，UNIX在/etc/services文件中定义。服务器软件启动时将其标识通知传送层实体。

15. 9.3 域名服务（1） • 产生原因 • 32比特的IP地址难于记忆，应该使用符号地址，比如用netlab.cs.tsinghua.edu.cn表示166.111.69.241。但是，网络本身是使用IP地址的，因此需要一个完成二者之间相互转换的机制。 • 当网络规模比较小时，例如ARPANET，每台主机只需查找一个文件（UNIX的host），该文件中列出了主机与IP地址的对应关系。 • 当网络规模很大时，上述方法就不适用了，因此产生了域名系统DNS（Domain Name System）。 • DNS概述 • 域名系统是一个典型的客户/服务器交互系统； • 域名系统是一个多层次的、基于域的命名系统，并使用分布式数据库实现这种命名机制；

16. 9.3 域名服务（2） • 当应用程序需要进行域名解析时（从符号名到IP地址），它成为域名系统的一个客户。它向本地域名服务器发出请求（调用resolver），请求以UDP包格式发出，域名服务器找到对应的IP地址后，给出响应。当本地域名服务器无法完成域名解析，它临时变成其上级域名服务器的客户，递归解析，直到该域名解析完成。 • RFC 1034，1035 • 域名的结构 • INTERNET的顶级域名分为组织结构和地理结构两种。每个域对它下面的子域和机器进行管理。 Fig. 7-25 • DNS中，每台计算机的名字是由“.”所分开的字符数字串所组成的。例如www.tsinghua.edu.cn. • 域名是大小写无关的，“edu”和“EDU”相同。域名最长255个字符，每部分最长63个字符。

18. 9.3 域名服务（3） • 资源记录 • 在DNS的数据库中用资源记录来表示主机和子域的信息，当应用程序进行域名解析时，得到的便是域名所对应的资源记录。 • 资源记录是一个五元式 Domain_name Time_to_live Type Class Value

20. 9.3 域名服务（4） • 域名服务器 • 区域划分 • DNS将域名空间划分为许多无重叠的区域(zone) ，每个区域覆盖了域名空间的一部分并设有域名服务器对这个区域的域名进行管理。 • 每个区域有一个主域名服务器和若干个备份域名服务器，区域的边界划分是人工设置的，比如：edu.cn tsinghua.edu.cn cs.tsinghua.edu.cn是三个不同的区域，分别有各自的域名服务器。

21. 9.3 域名服务（5） • 域名解析 • 一个区域内机器上的应用程序进行域名解析时，首先向该区域的域名服务器发出解析请求，若查找到，则返回域名对应的资源记录。 • 若找不到，该域名服务器向所查找域名的顶级域的域名服务器发出解析请求， • 顶级域的域名服务器通过向下的层次查询得到对应的资源记录，返回给该域名服务器， • 最后资源记录被返回给发起域名解析的机器，并在该区域的域名服务器中做缓存，超时后删除。

22. local name server dns.eurecom.fr Simple DNS example root name server host surf.eurecom.fr wants IP address of gaia.cs.umass.edu 1. Contacts its local DNS server, dns.eurecom.fr 2. dns.eurecom.fr contacts root name server, if necessary 3. root name server contacts authoritative name server, dns.umass.edu, if necessary 2 4 3 5 authorititive name server dns.umass.edu 1 6 requesting host surf.eurecom.fr gaia.cs.umass.edu

23. local name server dns.eurecom.fr intermediate name server dns.umass.edu DNS example root name server Root name server: • may not know authoratiative name server • may know intermediate name server: who to contact to find authoritative name server 6 2 3 7 5 4 1 8 authoritative name server dns.cs.umass.edu requesting host surf.eurecom.fr gaia.cs.umass.edu

24. local name server dns.eurecom.fr DNS: iterated queries root name server recursive query: • puts burden of name resolution on contacted name server • heavy load? iterated query: • contacted server replies with name of server to contact • “I don’t know this name, but ask this server” iterated query 2 3 4 7 intermediate name server dns.umass.edu 5 6 1 8 authoritative name server dns.cs.umass.edu requesting host surf.eurecom.fr gaia.cs.umass.edu

25. 9.4 简单网络管理协议SNMP（1） • SNMP（Simple Network Management Protocol）的产生 • 早期网络，如ARPANET，规模很小，可以通过执行“PING”命令来发现网络故障； • 网络规模变大，需要一个好的工具来管理网络。1990年发布RFC 1157，定义了SNMP v1； • SNMP v2，RFC 1441 ~ 1452。 • 网络管理的五个基本管理功能：性能管理、故障管理、配置管理、记帐管理和安全管理。 • SNMP是基于UDP的 • SNMP模型 SNMP网络管理模型由四种部件组成： • 被管理节点 运行SNMP代理程序（SNMP agent），维护一个本地数据库，描述节点的状态和历史，并影响节点的运行。

26. 9.4 简单网络管理协议SNMP（2） • 管理工作站 运行专门的网络管理软件（manager），使用管理协议与被管理节点上的SNMP代理通信，维护管理信息库。 • 管理信息 每个站点使用一个或多个变量描述自己的状态，这些变量称为“对象（objects）”，所有的对象组成管理信息库MIB（Management Information Base）。 • 管理协议（SNMP） 管理协议用于管理工作站查询和修改被管理节点的状态，被管理节点可以使用管理协议向管理站点产生“陷阱（trap）”报告。 • Fig. 7-30

28. 9.4 简单网络管理协议SNMP（3） • 抽象语法表示法1（ASN.1） • 定义：抽象语法表示法1是一种标准的对象定义语言，它分为数据描述定义（ISO 8824）和传输语法定义（ISO 8825）两部分。ASN.1可以作为异种计算机设备之间“对象”的描述和传输机制。 • ASN.1的基本数据类型

29. 9.4 简单网络管理协议SNMP（4） • 对象命名树 对象命名树用于使用编码唯一的确定每个标准中的对象（Fig. 7-32），基于对象命名树，任何标准中的任意对象都可以用如下的对象表示符表示。 • {iso(1) identified-organizations(3) dod(6) internet(1) mgmt(2) mib-2(1) ..tcp(6)..} • 或者是 {1 3 6 1 2 1 6} • ASN.1定义了5种方法构造新的类型 • SEQUENCE：多种类型的有序序列； • SEQUENCE OF：一种类型的一维有序序列； • SET：多种类型的无序集合； • SET OF：一种类型的无序集合； • CHOICE：创建一些类型的共同体（UNION）。

30. 9.4 简单网络管理协议SNMP（5） • 构造新类型的另一种方法是重新标记一个老的类型 • 类似C语言中定义新的类型（#define …） • 标签有四类：universal, application-wide, context-specific, private • 例如 Counter32 ::= [APPLICATION 1] INTEGER (0..4294967295)

31. 9.4 简单网络管理协议SNMP（6） • ASN.1的传输语法 • 基本编码规则BER（Basic Encoding Rules)定义了如何将ASN.1类型的值表示为无二义的字节序列。 • 需要传输的内容 • the identifier (type or tag) • 包括三个子域 • 当tag值在0 ~ 30之间时，用低5位表示； • 当tag值大于30时，低5位为“11111”，用后面字节表示。每个标识字节包括7个数据位，最后一个字节高位为“1”，其它字节高位为“0”。

32. 9.4 简单网络管理协议SNMP（7） • the length of the data field, in bytes • 当长度 < 128字节时，用一个字节表示长度，高位为“0”； • 当长度  128字节时，第一个字节高位为“1”，低7位表示后面表示长度的字节个数，后面的若干个（ 127）字节表示长度。 例，数据长度1000字节，则长度域包括3个字节，第一个字节为“10000010”，后两个字节为“00000011”和“11101000” • the data field • INTEGER：二进制编码； • BIT STRING：编码表示不变，长度域表示字节个数，并在传位串前先传一个字节表示位串最后一个字节不用的位数。 例，位串“010011111”传输时变为“07 4f 80”（十六进制）

33. 9.4 简单网络管理协议SNMP（8） • OCTET STRING：编码表示不变； • NULL：长度域为0，不传数据； • OBJECT IDENTIFIER：按照命名树的编码整数序列编码，前两个数a, b可用一个字节编码，值为40a + b • 如果数据长度未知，需要有结束标志

35. 9.4 简单网络管理协议SNMP（9） • 管理信息结构SMI和管理信息库MIB • 定义 • SNMP在ASN.1的基础上，定义了四个宏，八个新数据类型来定义SNMP的数据结构，被称为管理信息结构SMI。 • SNMP使用SMI首先将变量定义为“对象”（object），相关的对象被集合成“组”（group），组最后被汇集成“模块”（module）。 • 管理信息库 • SNMP的MIB包含10个组。网络管理工作站通过使用SNMP协议，向被管理节点中的SNMP代理发出请求，查询这些对象的值。 • 每个对象有以下四个属性： • 对象类型(object type)：定义了对象的名字。 • 语法(syntax)：指定了数据类型。 • 存取(access)：表示了对象的存取级别，合法的值有只读、只写、读写和不可存取。

36. 9.4 简单网络管理协议SNMP（10） • 状态(status)：定义了对象的实现需要， • 必备的：被管理结点必须实现该对象 • 可选的：被管理结点可能实现该对象 • 已经废弃的：被管理结点不需要实现该对象 • SNMP协议 • 定义了网络管理工作站和SNMP代理之间的通信过程和协议数据单元。 • 网络管理工作站发往SNMP代理的数据请求 Get-request Get-next-request Get-bulk-request • 网络管理工作站发往SNMP代理的数据更新请求 Set-request • 网络管理工作站与网络管理工作站之间的MIB交换 Inform-request • SNMP代理发往网络管理工作站的陷阱报告 SnmpV2-trap

37. 9.5 网络安全（1） • 自学 • 要求掌握一下知识点 • 网络安全问题 • 加密 • 身份验证 • 数字签名 • 完整性控制 • 加密模型 • 明文P，密钥K，密文C • 加密过程：C=Ek(P) • 解密过程：P=Dk(C)

38. 9.5 网络安全（2） • 加密方法 • 加密由两类基本方法：替换加密法和换位加密法 • 加密算法的标准 • 基于密钥算法的加密标准：DES，使用56位的密钥，目前被广泛地使用； • 基于公钥算法的加密标准：RSA，每个人有一个公钥Ek和一个密钥Dk，只能用密钥Dk解开用公钥Ek加密的报文。

39. user agent user agent user agent user agent user agent user agent SMTP SMTP SMTP mail server mail server mail server outgoing message queue user mailbox 9.6 电子邮件（1） • 相关协议标准 • 1982年ARPANET提出了RFC821（传输协议）RFC822（消息格式）作为电子邮件协议； • 1984年CCITT提出了X.400建议，但是没有得到普及。 • 体系结构 • 用户代理：允许用户阅读和发送电子邮件，一般为用户进程； • 消息传输代理：将消息从源端发送至目的端，一般为系统的后台进程； • 简单邮件传输协议SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）

40. 9.6 电子邮件（2） • 电子邮件系统提供的五大基本功能 • 成文：指创建消息或回答消息的过程； • 传输：指将消息从发送者传出至接收者； • 报告：将消息的发送情况报告给消息发送者； • 显示：使用相应的工具软件将收到的消息显示给接收者 • 处理：接收者对接收到的消息进行处理，存储/丢弃/转发等等。 • 其它高级功能 • 自动转发、自动回复； • mailbox，创建邮箱存储邮件； • mailing list； • 抄送（cc）、高优先级、加密。

41. 9.6 电子邮件（3） • 电子邮件的组成 • 信封：接收方的信息，如名字、地址、邮件的优先级和安全级别； • 信件内容：由信头和信体组成，信头包含了用户代理所需的控制信息，信体是真正的内容。 • Fig. 7-39 • 用户代理 • 发送电子邮件 • email地址，例如，webmaster@www.tsinghua.edu.cn • mailing list，例如，students@cs.tsinghua.edu.cn • X.400地址，例如，/C=US/SP=MASSACHUSETTS/ L=CAMBRIDGE/PA=360 MEMORIAL DR./CN=KEN SMITH/

42. 9.6 电子邮件（4） • 阅读电子邮件 • 用户代理在启动时检查用户的mailbox，通知用户是否有新邮件到来。并摘要性的显示邮件的主题、发送者及其邮件的状态。 • 信件格式 • RFC822 • 信件包括信封、若干信头域、一个空行和信体。 • Fig.7-42 • 电子邮件的扩展 • MIME（Multipurpose Internet Mail Extensions），增加了对图像、声音、视频、可执行文件等的支持。使用不同的编码方法将信息转化为ASCII字符流

43. user agent user agent sender’s mail server SMTP 9.6 电子邮件（5） SMTP POP3 or IMAP • 消息传送协议 • INTERNET使用简单邮件传输协议SMTP完成电子邮件的交换。 • 过程如下 • 消息传输代理在源端主机和目的主机的25号端口之间建立一条TCP连接，使用简单邮件传输协议SMTP协议进行通信； • 在TCP连接建立好之后，作为客户的邮件发送方等待作为服务器的邮件接收方首先传输信息； • 服务器首先发出准备接受的SMTP消息，客户向服务器发出HELO消息，服务器回答以HELO消息，双方进入邮件传输状态； receiver’s mail server

44. 9.6 电子邮件（6） • 邮件传输过程：客户首先发出邮件的发信人地址（MAIL FROM），然后发出收信人的地址（RCPT TO），服务器确认收信人存在后，发出可以继续发送的指示，客户发送真正的消息（DATA），以‘.’作为结束； • 当客户方邮件发送完之后，服务器开始发送邮件至客户，过程同上； • 两个方向的发送完成之后，释放TCP连接（QUIT）。 • Persistent方式 • 注意 • 消息以7-比特ASCII码为单位 • 某些特殊字符串（如CRLF.CRLF）不允许在消息中出现，需要编码（例如，base64）

45. 9.6 电子邮件（7） • 其它协议 • POP3（Post Office Protocol），RFC 1939，用户代理和邮箱不在同一机器上，用户代理使用此协议将邮箱中的信件取回本地； • IMAP（Internet Mail Access Protocol），RFC 1730，收信人使用多个用户代理访问同一邮箱，邮件始终保持在邮箱中。 • 加密电子邮件协议：PGP与PEM协议。 • try smtp interaction for yourself • telnet servername 25 • see 220 reply from server • enter HELO, MAIL FROM, RCPT TO, DATA, QUIT commands • above lets you send email without using email client (reader)

46. 9.6 电子邮件（8） • Sample smtp interaction S: 220 hamburger.edu C: HELO crepes.fr S: 250 Hello crepes.fr, pleased to meet you C: MAIL FROM: <alice@crepes.fr> S: 250 alice@crepes.fr... Sender ok C: RCPT TO: <bob@hamburger.edu> S: 250 bob@hamburger.edu ... Recipient ok C: DATA S: 354 Enter mail, end with "." on a line by itself C: Do you like ketchup? C: How about pickles? C: . S: 250 Message accepted for delivery C: QUIT S: 221 hamburger.edu closing connection

47. X.400 MHS Function Model UA ---- User Agent MTA ---- Message Transfer Agent MS ---- Message Store AU ---- Access Unit PDAU ---- Physical Delivery Access Unit

48. 9.7 WWW （1） • WWW（World Wide Web）是用于访问遍布于INTERNET上的相互链接在一起的超文本的一种结构框架。 • 历史 • 1989年，设计WWW的思想产生于欧洲核研究中心CERN； • 1991年，第一个原型在美国的Hypertext ’91会议上展示； • 1993年，第一个图形化浏览器，Mosaic； • 1994年，Andreessen创建NETSCAPE公司，开发WEB的客户和服务器软件； • 同年，CERN和MIT共同创建WWW论坛，制定相关的协议标准，http://www.w3.org。

49. 9.7 WWW （2） • 术语 • Web page: • consists of “objects” • addressed by a URL • Most Web pages consist of: • base HTML page, and • several referenced objects. • User agent for Web is called a browser: • MS Internet Explorer • Netscape Navigator • Server for Web is called Web server: http request PC running Explorer http response http request Server running NCSA Web server http response Mac running Navigator

50. 9.7 WWW （3） • 用户眼中的WEB • WEB是由互相链接在一起的网页构成的，这些网页是由普通文本、超文本Hypertext，以及图表、照片等构成； • 用户通过称为浏览器的软件来观看网页，浏览器取回所请求的网页，解释其中所含的文本和格式命令，并正确的显示出来； • 网页中的文本串若指向其它的网页（此指针称为超级链接Hyperlink，此文本串称为超文本），会被特别地显示出来（加下划线），用户若选择此超级链接，浏览器会将此超级链接所指的网页取回； • 当超文本网页中包含声音、动画等其它媒体时，网页被称为是超媒体的。浏览器一般通过外挂的帮助程序来显示这些超媒体信息。

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