计算机网络知识点整理(2)：应用层

这是SJTU-CS3611《计算机网络》课程的知识点整理系列。本文整理部分为“第2章：应用层”。

2.1 应用层协议基本原理

2.1.1 网络应用体系结构

• ​客户-服务器体系结构 （如HTTP/FTP/IMAP）
  • 服务器：永久在线、固定IP、集中式管理
  • 客户端：间歇性连接、动态IP、不直接通信
• ​P2P体系结构（如BitTorrent）
  • 无中心服务器、节点兼具客户端与服务端角色
  • 优势：自扩展性强、成本低
  • 挑战：动态IP、管理复杂

2.1.2 进程通信

• ​套接字（Socket）​：应用层与传输层接口
• 进程寻址：IP地址+端口号（HTTP:80 / SMTP:25）

2.1.3 运输层服务选择

特性	TCP	UDP
可靠性	可靠（重传机制）	不可靠
连接方式	面向连接（三次握手）	无连接
流量控制	有（滑动窗口）	无
拥塞控制	有（慢启动/拥塞避免）	无
适用场景	Web/Email/文件传输/远程终端访问	实时音视频

• TCP 和 UDP 都不提供定时、吞吐量、安全性。

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2.2 HTTP 协议（TCP / C-S架构）

2.2.1 核心机制

• ​无状态性
  • 服务器不保存客户端状态，通过Cookie维持会话
  • ​Cookie工作流程：Set-Cookie 头 → 客户端存储 → 后续请求携带Cookie
• ​连接模式
  • 非持续连接（HTTP/1.0）：每个对象需单独连接
  • 持续连接（HTTP/1.1+）：减少TCP握手开销（2RTT → 1RTT优化）
    • 分为 非流水线 和 流水线 两种

2.2.2 报文结构

• ​请求报文

  

  GET /somedir/index.html HTTP/1.1  // 请求行: 方法、相对URL、HTTP版本
  Host: www.example.com  // 服务器域名
  Connection: close  // 使用非持续连接
  User-agent: Mozilla/5.0  // 用户代理（浏览器）
  Accept-language: cn  // 希望得到的文档语言

  • 方法：GET（获取资源）/ POST（提交表单）/ HEAD（获取首部）

• ​响应报文

  

  HTTP/1.1 200 OK  // 状态行: HTTP版本、状态码、状态信息
  Connection: close // 发送完关闭TCP连接
  Date: Tue, 18 Aug 2015 15:44:04 GMT  // 该报文发送时间
  Server: Apache/2.2.3 (CentOS)  // 服务器
  Last-Modified: Tue, 18 Aug 2015 15:11:03 GMT // 对象最后修改时间
  Content-Length: 6821  // 被发送对象的字节数
  Content-Type: text/html  // 实体体中对象的类型
  
  (data data data data data ...)

  • 状态码：200（成功）/ 301（重定向）/ 400（错误请求）/ 404（未找到）

2.2.3 缓存机制

• ​Web缓存作用

  • ​降低时延：就近获取资源减少传输时间
  • ​减少带宽消耗：避免重复下载相同内容
  • ​缓解服务器压力：减少直接请求源服务器的次数

• 条件GET验证

GET /file.txt HTTP/1.1
Host: www.example.com
If-Modified-Since: Wed, 9 Sep 2015 09:23:@4

HTTP/1.1 304 Not Modified
Date: Sat, 10 Oct 2015 15:39:29
Server: Apache/1.3.0 (Unix)

(empty entity body)

• 服务器返回 304 时，客户端使用本地缓存副本

• ​缓存命中率计算：总延迟 = 命中率×缓存延迟 + (1-命中率)×源服务器延迟

2.2.4 HTTP演进

• HTTP/2：帧调度机制（解决HOL阻塞）、服务器推送、优先级机制
• ​HTTP/3：基于QUIC（UDP实现）

2.3 电子邮件（TCP / C-S架构）

• ​SMTP（发件协议）​

  • 命令交互式（HELO / MAIL FROM / RCPT TO / DATA / QUIT）
  • 仅限7位ASCII码文本邮件（MIME 支持多媒体附件）

• POP3 / ​IMAP（收件协议）​

  • IMAP：服务器存储状态，支持文件夹管理

• 发件和收件均可使用 HTTP

2.4 DNS（UDP / C-S架构）

2.4.1 分层结构

• 根DNS $\rightarrow$ 顶级域(TLD) DNS（.com/.org） $\rightarrow$ 权威DNS $\rightarrow$ 本地DNS

2.4.2 查询过程

• ​递归查询：本地DNS全权代理
• ​迭代查询：每一步返回下一跳地址

• DNS缓存：
  • DNS 服务器能本地存储解析记录，以减少响应时间。
  • 缓存条目在 TTL 超时后消失。

2.4.3 资源记录（RR）

• 记录格式：(Name, Value, Type, TTL)
• TTL（生存时间）：该记录应当从缓存中删除的时间
• Type：
  • A：主机名 → IP 地址
  • NS：域名 → 权威 DNS 服务器的主机名
  • CNAME​：主机别名 → 规范主机名
  • MX： （邮件服务器）简单别名 → 规范主机名

2.4.4 报文格式

• 可以用 nslooksup 程序发送 DNS 查询报文

2.4.5 DNS 安全

• ​DDoS攻击：向根域名服务器发送大量流量
• ​欺骗攻击：拦截DNS查询，返回虚假响应

2.5 P2P文件分发（TCP / P2P架构）

2.5.1 分发时间公式

C/S模型

$$D_{CS} = \max\left( \frac{NF}{u_s}, \frac{F}{d_{min}} \right)$$

• $N$：客户端数量
• $F$：文件总大小
• $u_s$：服务器上传带宽
• $d_{min}$：最慢客户端下载带宽

P2P模型

$$D_{P2P} = \max\left( \frac{F}{u_s}, \frac{F}{d_{min}}, \frac{NF}{u_s + \sum_{i=1}^N u_i} \right)$$

• $u_i$：第 $i$ 个客户端的上传带宽

效率对比结论

模型	扩展性	服务器压力	适用场景
C/S	差（随N线性增长）	极高	小规模、私密文件
P2P	优（自扩展）	极低	大规模公开分发

2.5.2 BitTorrent

核心内容

• 文件分块
• 洪流（torrent）：一组交换文件块的对等体
• ​追踪器（tracker）：能追踪参与洪流的对等体

请求策略——最稀缺优先

• 优先请求邻居中副本最少的块
• 均衡分块的副本数量，加速文件完整传播

发送策略——​Tit-for-Tat

• 优先发送给上传速度最快的4个邻居，每10秒重新评估
• 每30秒随机选择另一个节点发送数据块
• 能发现潜在高速节点，对等方速率趋于协调

2.6 视频流与内容分发网（HTTP / TCP / C-S架构）

2.6.1 DASH（Dynamic Adaptive Streaming over HTTP）

• ​不同速率编码：将视频切割为多个片段，每个块以多个不同速率编码
• ​动态码率调整：
  • 带宽充足时，请求更高码率分片
  • 带宽不足时，请求更低码率分片
• ​缓冲区管理：维持5~10秒播放缓冲防止卡顿

2.6.2 CDN（内容分发网络）

核心概念

CDN通过地理分布的服务器节点缓存内容，将用户请求重定向到最优节点以提升访问速度。主要解决大规模内容分发的带宽压力与延迟问题。

服务器部署策略

策略	部署方式	优点	缺点
Enter Deep	边缘节点深入ISP网络	低延迟、高吞吐量	部署和维护成本高
Bring Home	集中部署在关键节点（如IXP）	管理成本低	延迟较高、带宽利用率较低

关键技术

• ​DNS重定向：通过修改DNS响应将用户请求导向最近的CDN节点
• ​集群选择策略：基于时延测量、地理位置等指标选择最优服务节点
• ​内容缓存机制：使用拉取/推送策略在节点间同步热门内容

2.7 套接字编程

2.7.1 UDP套接字编程

特性：无连接、不可靠传输、适用于实时应用（如视频会议）

# 客户端核心流程
clientSocket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)  # 创建UDP套接字
clientSocket.sendto(message.encode(), (serverName, serverPort))  # 发送报文
reponse, serverAddress = clientSocket.recvfrom(2048)  # 接收报文
reponse = response.decode()
clientSocket.close()  # 关闭套接字

# 服务端核心流程
serverSocket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)  # 创建UDP套接字
serverSocket.bind(('', 12000))  # 绑定端口号
while True:
    message, clientAddress = serverSocket.recvfrom(2048) # 接收报文
    serverSocket.sendto(reponse.encode(), clientAddress)  # 发送报文

2.7.2 TCP套接字编程

特性：面向连接、可靠传输、保证数据顺序

# 客户端核心流程
clientSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)  # 创建TCP套接字
clientSocket.connect((serverName, serverPort))  # 建立TCP连接
clientSocket.send(message.encode())  # 发送报文
reponse = clientSocket.recv(1024).decode()  # 接收报文
clientSocket.close()  # 关闭套接字及连接

# 服务端核心流程
serverSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)  # 创建TCP套接字
serverSocket.bind(('', 12000)) # 绑定端口号
serverSocket.listen(1)  # 开始监听连接
while True:
    connectionSocket, addr = serverSocket.accept() # 接受新连接
    message = connectionSocket.recv(1024).decode()  # 接收报文
    connectionSocket.send(reponse.encode())   # 发送报文
    connectionSocket.close()  # 关闭该连接