你要问我应用层？我就和你扯扯扯

网络应用是计算机网络存在的理由，一批早起的网络应用主要有电子邮件、远程访问、文件传输等，但是随着计算机网络的发展和人类无穷无尽的需求，越来越多的网络应用被开发出来，例如即时通讯和对等(P2P)文件共享，IP 电话、视频会议等。还有一些多方在线游戏被开发出来如《魔兽世界》等，可以说计算机网络是一切应用演变出来的基础。人要怀有一颗感恩的心，感谢这些前辈的努力，才让我们现在的生活如此丰富多彩。但是我们作为程序员，不仅要能够享受这些成果，还要知道为什么，这样生活才会和谐。

一、应用层协议原理

研发网络应用程序的核心是写出能够运行在不同的端系统和通过网络彼此通信的程序。例如，在网络应用程序中，有两个互相通信的不同程序：一个是运行在用户主机上的浏览器程序;另一个是运行在 Web 服务器主机上的 Web 服务器程序。

二、网络应用程序体系结构

网络应用程序的体系结构(application architecture)主要有两种，一种是 客户-服务器体系结构(client-server architecture) ，在客户-服务器体系结构中，有一个持续打开，等待连接的主机称为服务器，它服务于来自许多其他称为 客户 的主机请求。比如 Web 服务器总会等待来自浏览器(运行在客户主机上)的请求。注意这种客户-服务器体系结构中，客户之间是不会彼此交流信息的，它们只与相应的服务器进行通信。还有一点是服务器具有固定的 IP 地址。下图显示了这种体系结构：

这种客户-服务器体系结构存在弊端，那就是有的时候服务器的响应跟不上客户请求速度的情况，鉴于此，这种体系结构需要经常配备数据中心(data center)用来创建更强大的服务器。例如搜索引擎(谷歌、Bing和百度)、互联网商店(亚马逊、e-Bay 和阿里巴巴)、基于 Web 的电子邮件(Gmail 和 雅虎)、社交网络(脸书、Instagram、推特和微信)，就是用了多个数据中心。

另外一种体系结构是 P2P体系结构(P2P architecture)，相对于对数据中心有过多依赖的客户-服务器体系结构，P2P 体系结构则直接通过两台相连的主机直接通信，这些主机称为对等方。典型的 P2P 体系结构的应用包括 文件共享(BitTorrent)、下载器(迅雷)、互联网电话和视频会议(Skype)，下图显示了 P2P 体系结构图

P2P 体系结构最重要的一个特性就是它的自扩展性(self-scalability)。例如，在一个 P2P 文件共享的应用中，尽管每个对等方都由于请求文件产生工作负载，但每个对等方通过向其他对等方分发文件也为系统增加服务器能力。

三、进程通信

我们上面说到了两种体系结构，一种是客户-服务器模式，一种是P2P 对等模式。我们都知道一个计算机允许同时运行多个应用程序，在我们看起来这些应用程序好像是同时运行的，那么它们之间是如何通信的呢?不可能存在同是一个母亲，兄弟俩不交流的情况吧。

用操作系统的术语来说，进行通信实际上是 进程(process)而不是程序。一个进程可以被认为是运行在端系统中的程序。当多个进程运行在相同的端系统上，它们使用进程间的通信机制相互通信。进程间的通信规则由操作系统来确定。我们暂不关心运行在同一主机上不同应用程序是如何通信的，我们主要探讨的目标是不同端系统中两个进程是如何通信的。还是分为两种结构来探讨。

1. 客户和服务器进程

网络应用程序由成对的进程组成，这些进程通过网络相互发送报文。例如，在 Web 应用程序中，文件从一个对等方中的进程传输到另一个对等方中的进程。而在每对通信的进程中，都会有一对客户(client) 和 服务器(server) 存在。比如我们上面提到的 Web ，对于 Web 来说，浏览器是一个客户进程，而 Web 服务器是一台服务器进程。也许你也应该能猜到，在 P2P 体系结构中，一个进程能够扮演两种角色，既是客户又是服务器的情况。但是在实际通信的过程中，我们还是很容易区分的，我们通常通过下面这种方式进行区分。

在一对进程之间的通信会话场景中，发起通信(即在会话开始时发起与其他进程的联系)的进程称为客户，在会话开始时等待联系的被称为服务器。

2. 进程与计算机网络之间的接口

计算机是庞大且繁杂的，计算机网络也是，应用程序不可能只有一个进程组成，它同样是多个进程共同作用协商运行，然而，分布在多个端系统之间的进程是如何进行通信的呢?实际上，每个进程之间会有一个 套接字(socket) 的软件接口存在，套接字是应用程序的内部接口，应用程序可以通过它发送或接收数据，可对其进行像对文件一样的打开、读写和关闭等操作。套接字允许应用程序将 I/O 插入到网络中，并与网络中的其他应用程序进行通信。

通过一个实例来简单类比一下套接字和网络进程：进程可类比一座房子，而它的套接字相当于是房子的门，当一个进程想要与其他进程进行通信时，它会把报文推出门外，然后通过运输设备把报文运输到另外一座房子，通过门进入房子内部使用。

下图是一个通过套接字进行通信的流程图

从图可以看到，Socket 属于主机或者服务进程的内部接口，由应用程序开发人员进行控制，两台端系统之间进行通信会通过 TCP 的缓冲区经由网络传输到另一个端系统的 TCP 缓冲区，Socket 从 TCP 缓冲区读取报文供应用程序内部使用。

套接字是建立网络应用程序的可编程接口，因此套接字也被称为应用程序和网络之间的 应用程序编程接口(Application Programming Interface，API)。应用程序开发人员可以控制套接字内部细节，但是无法控制运输层的传输，只能对运输层的传输协议进行选择，还可以对运输层的传输参数进行选择，比如最大缓存和最大报文长度等。

3. 进程寻址

（编辑：应用网_阳江站长网）

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