拿下计网协议后,我就是公园里最靓的仔(三)

简介: 在有了之前两篇文章的介绍后,相信读者对计算机网络有了初步的认识,那么下面我们就要对不同的协议层进行分类介绍了,我们还是采用自上而下的方式来介绍,这种介绍对读者来说更容易接纳,吸收程度更好(说白了就是更容易给我的文章点赞,逃)。

会话 Cookies

上面的示例创建的是会话 Cookie ,会话 Cookie 有个特征,客户端关闭时 Cookie 会删除,因为它没有指定ExpiresMax-Age 指令。

但是,Web 浏览器可能会使用会话还原,这会使大多数会话 Cookie 保持永久状态,就像从未关闭过浏览器一样。

永久性 Cookies

永久性 Cookie 不会在客户端关闭时过期,而是在特定日期(Expires)特定时间长度(Max-Age)外过期。例如

Set-Cookie: id=a3fWa; Expires=Wed, 21 Oct 2015 07:28:00 GMT;

对 Cookie 的争论

尽管 Cookie 能够简化用户的网络活动,但是 Cookie 的使用存在争议,因为不少人认为它对用户是一种侵权行为。因为结合 Cookie 和用户提供的账户信息,Web 站点可以知道更多关于用户的信息。

Web 缓存

Web 缓存(Web cache) 也叫做 代理服务器(proxy server),它是代表 HTTP 服务器来满足用户需求的网络实体。Web 缓存器有自己的磁盘存储空间,并会在存储空间内保存最近请求过的对象,如下图所示

微信图片_20220416135458.png

Web 缓存可以在用户的浏览器中进行配置,一旦配置后,用户首先访问的就不是初始服务器了,需要先访问代理服务器判断请求的对象是否存在,如果代理服务器没有,再由代理服务器来请求初始服务器把对象返回给客户,同时在自己的磁盘空间保存对象。

这里需要注意,客户和初始服务器的架构是 客户-服务器模式,而代理服务器不仅能当服务器使用,也可以当作客户端使用。

代理服务器一般由 ISP(Internet Service Provider),提供。注意不是老色批。。。ISP 也就是我们常说的运营商,你懂的。

那么为什么需要代理服务器的存在呢?相信你看完上面的描述应该能大致猜到它的作用。

  • 首先,代理服务器可以大大减少对客户请求的响应时间,能够更快给用户响应。
  • 其次,代理服务器可以减少一个机构接入链路到网络的通信量,降低网络带宽,降低运营商成本。
  • 然后,代理服务器可以分担初始服务器的压力,改善应用程序的性能。

DASH

通过上面的描述我们知道 HTTP 是可以传输普通文件、音频、视频的,这些传输的信息统称为 MIME 类型。HTTP 在传递视频中,也只是把视频当作对象来传输,而一个对象其实就是一个文件,一个文件都在 HTTP 中都可以用 URL 来表示。当用户在看视频时,客户与服务器建立一个 TCP 连接并发送对该 URL 的 GET 请求,然后服务器响应给客户端时,客户端会缓存一定量的字节数据,当数据超过预先设定的门限时,客户应用程序就开始播放视频。

这种方式有一种局限性就是对每个客户端来说,尽管每个客户端可用的带宽量不同,但所有客户端都收到相同的视频编码。这就造成带宽浪费。这就相当我是一个 2兆的网络和 50 兆的光纤都能收到相同的视频编码,以几乎相同的等待时间开始播放视频,那么我为什么还要花 50 兆光纤的钱呢?

为了改善这一现象,出现了 HTTP 的 DASH,DASH 即 Dynamic Adaptive Streaming HTTP,动态适应流。它的理念是针对不同流量的网络来说,所能够传输的比特数据也不相同。DASH 允许客户使用不同的因特网传输速率可以播放不同编码速率的视频。对于 3G 用户和光纤用户自然会选择以不同的速率传输比特数据,从而最大限度的使用带宽。

CDN

随着互联网的接入用户变得越来越多,视频逐渐成为了比特传输的瓶颈和用户的强烈需求。作为一个因特网视频公司,最一开始提供流式服务最直接的方式是建立单一的大规模数据中心。在数据中心内缓存所有视频,并直接从数据中心向世界范围内传播视频。但是这种方式存在三种问题

  • 如果客户远离数据中心,那么服务器到客户分组会跨越许多通信链路并且可能通过许多 ISP,这样你的视频播放能快到哪去?
  • 每次视频数据都会重新传递给客户端,这样会严重浪费网络带宽,而且视频公司会支付重复的带宽费用
  • 单点故障问题,只要视频数据中心宕机或者其他事故,直接导致全球范围内的视频无法播放。

为了应对能够向全世界的用户 24 小时不间断的分发视频,几乎所有的主流视频公司都会使用 内容分发网(Content Distribution Network, CDN) 。CDN 管理分布在多个地理位置上的服务器,在每个服务器上缓存各种视频、音频、文件等。

CDN 内容选择策略

CDN 管理分布在多个地理位置上的服务器,在它的服务器上存储视频副本,并且所有试图将每个用户请求定向到一个提供最好用户体验的 CDN 位置。那么服务器如何选址呢?事实上有两种服务器安置原则

  • 深入,它的主要目标是靠近用户,通过减少端用户和 CDN 集群之间链路和路由器的数量,从而改善了用户感受的时延和吞吐量。
  • 邀请做客,这个原则是通过在少量(例如 10 个)关键位置建造大集群来邀请 ISP 来做客,与深入设计原则相比,邀请做客设计通常产生较低的维护和管理开销。

CDN 工作流程

CDN 可以是专用 CDN(private CDN), 即它由内容提供商自己所拥有;另一种 CDN 是 第三方 CDN(third-party CDN),它代表多个内容提供商分发内容。

下面我们来聊一下 CDN 工作流程,如下图所示

微信图片_20220416135504.png

  • 用户想要访问指定网站的内容
  • 用户首先发起对本地 DNS,LDNS 的查询,LDNS 会将请求中继到网站 DNS 服务器,网站的 DNS 服务器会返回给 LDNS 一个网站 CDN 权威服务器的地址
  • LDNS 服务器会发送第二个请求给网站 CDN 权威服务器,希望获取网站内容分发服务器的地址,网站 CDN 会把 CDN 内容分发服务器的地址发送给本地 DNS 服务器
  • 本地 DNS 服务器会把网站 CDN 内容分发服务器的地址发送给用户
  • 用户知道网站 CDN 内容分发服务器的地址后,无需额外操作,直接和网站 CDN 内容分发服务器建立 TCP 连接,并且发出 HTTP GET 请求,如果使用了 DASH 流,会根据不同 URL 的版本选择不同速率的块发送给用户。

CDN 集群选择策略

任何 CDN 的部署,其核心是 集群选择策略(cluster selection strategy), 即动态的将客户定向到 CDN 中某个服务器集群或数据中心的机制。一种简单的策略是指派客户到 地理上最为临近(geographically closest) 的集群。这种选择策略忽略了时延和可用带宽随因特网路径时间而变化,总是为特定的客户指派相同的集群;还有一种选择策略是 实时测量(real-time measurement),该机制是基于集群和客户之间的时延和丢包性能执行周期性检查。

DNS 因特网目录服务协议

试想一个问题,我们人类可以有多少种识别自己的方式?可以通过身份证来识别,可以通过社保卡号来识别,也可以通过驾驶证来识别,尽管我们有多种识别方式,但在特定的环境下,某种识别方法可能比另一种方法更为适合。因特网上的主机和人类一样,可以使用多种识别方式进行标识。互联网上主机的一种标识方法是使用它的 主机名(hostname) ,如 www.facebook.com、 www.google.com 等。但是这是我们人类的记忆方式,路由器不会这么理解,路由器喜欢定长的、有层次结构的 IP地址,so,还记得 IP 是什么吗?

IP 地址现在简单表述一下,就是一个由 4 字节组成,并有着严格的层次结构。例如 121.7.106.83 这样一个 IP 地址,其中的每个字节都可以用 . 进行分割,表示了 0 - 255 的十进制数字。(具体的 IP 我们会在后面讨论)

然而,路由器喜欢的是 IP 地址进行解析,我们人类却便于记忆的是网址,那么路由器如何把 IP 地址解析为我们熟悉的网址地址呢?这时候就需要 DNS 出现了。

微信图片_20220416135509.png

DNS 的全称是 Domain Name System,DNS ,它是一个由分层的 DNS 服务器(DNS server)实现的分布式数据库;它还是一个使得主机能够查询分布式数据库的应用层协议。DNS 服务器通常是运行 BIND(Berkeley Internet Name Domain) 软件的 UNIX 机器。DNS 协议运行在 UDP 之上,使用 53 端口。

DNS 基本概述

与 HTTP、FTP 和 SMTP 一样,DNS 协议也是应用层的协议,DNS 使用客户-服务器模式运行在通信的端系统之间,在通信的端系统之间通过下面的端到端运输协议来传送 DNS 报文。但是 DNS 不是一个直接和用户打交道的应用。DNS 是为因特网上的用户应用程序以及其他软件提供一种核心功能。

DNS 通常不是一门独立的协议,它通常为其他应用层协议所使用,这些协议包括 HTTP、SMTP 和 FTP,将用户提供的主机名解析为 IP 地址。

下面根据一个示例来描述一下这个 DNS 解析过程,这个和你输入网址后,浏览器做了什么操作有异曲同工之处

你在浏览器键入 www.someschool.edu/index.html 时会发生什么现象?为了使用户主机能够将一个 HTTP 请求报文发送到 Web 服务器 www.someschool.edu ,会经历如下操作

  • 同一台用户主机上运行着 DNS 应用的客户端
  • 浏览器从上述 URL 中抽取出主机名 www.someschool.edu ,并将这台主机名传给 DNS 应用的客户端
  • DNS 客户向 DNS 服务器发送一个包含主机名的请求。
  • DNS 客户最终会收到一份回答报文,其中包含该目标主机的 IP 地址
  • 一旦浏览器收到目标主机的 IP 地址后,它就能够向位于该 IP 地址 80 端口的 HTTP 服务器进程发起一个 TCP 连接。

除了提供 IP 地址到主机名的转换,DNS 还提供了下面几种重要的服务

  • 主机别名(host aliasing),有着复杂的主机名的主机能够拥有一个或多个其他别名,比如说一台名为 relay1.west-coast.enterprise.com 的主机,同时会拥有 enterprise.com 和 www.enterprise.com 的两个主机别名,在这种情况下,relay1.west-coast.enterprise.com 也称为 规范主机名,而主机别名要比规范主机名更加容易记忆。应用程序可以调用 DNS 来获得主机别名对应的规范主机名以及主机的 IP地址。
  • 邮件服务器别名(mail server aliasing),同样的,电子邮件的应用程序也可以调用 DNS 对提供的主机名进行解析。
  • 负载分配(load distribution),DNS 也用于冗余的服务器之间进行负载分配。繁忙的站点例如 cnn.com 被冗余分布在多台服务器上,每台服务器运行在不同的端系统之间,每个都有着不同的 IP 地址。由于这些冗余的 Web 服务器,一个 IP 地址集合因此与同一个规范主机名联系。DNS 数据库中存储着这些 IP 地址的集合。由于客户端每次都会发起 HTTP 请求,所以 DNS 就会在所有这些冗余的 Web 服务器之间循环分配了负载。

DNS 工作概述

DNS 是一个复杂的系统,我们在这里只是就其运行的主要方面进行学习,下面给出一个 DNS 工作过程的总体概述

假设运行在用户主机上的某些应用程序(如 Web 浏览器或邮件阅读器) 需要将主机名转换为 IP 地址。这些应用程序将调用 DNS 的客户端,并指明需要被转换的主机名。用户主机上的 DNS 收到后,会使用 UDP 通过 53 端口向网络上发送一个 DNS 查询报文,经过一段时间后,用户主机上的 DNS 会收到一个主机名对应的 DNS 回答报文。因此,从用户主机的角度来看,DNS 就像是一个黑盒子,其内部的操作你无法看到。但是实际上,实现 DNS 这个服务的黑盒子非常复杂,它由分布于全球的大量 DNS 服务器以及定义了 DNS 服务器与查询主机通信方式的应用层协议组成。

DNS 最早的一种简单设计只是在因特网上使用一个 DNS 服务器。该服务器会包含所有的映射。这是一种集中式的设计,这种设计并不适用于当今的互联网,因为互联网有着数量巨大并且持续增长的主机,这种集中式的设计会存在以下几个问题

  • 单点故障(a single point of failure),如果 DNS 服务器崩溃,那么整个网络随之瘫痪。
  • 通信容量(traaffic volume),单个 DNS 服务器不得不处理所有的 DNS 查询,这种查询级别可能是上百万上千万级
  • 远距离集中式数据库(distant centralized database),单个 DNS 服务器不可能 邻近 所有的用户,假设在美国的 DNS 服务器不可能临近让澳大利亚的查询使用,其中查询请求势必会经过低速和拥堵的链路,造成严重的时延。
  • 维护(maintenance),维护成本巨大,而且还需要频繁更新。

所以 DNS 不可能集中式设计,它完全没有可扩展能力,因此采用分布式设计,所以这种设计的特点如下

分布式、层次数据库

首先分布式设计首先解决的问题就是 DNS 服务器的扩展性问题,因此 DNS 使用了大量的 DNS 服务器,它们的组织模式一般是层次方式,并且分布在全世界范围内。没有一台 DNS 服务器能够拥有因特网上所有主机的映射。相反,这些映射分布在所有的 DNS 服务器上。

大致来说有三种 DNS 服务器:根 DNS 服务器顶级域(Top-Level Domain, TLD) DNS 服务器权威 DNS 服务器 。这些服务器的层次模型如下图所示

微信图片_20220416135514.png

假设现在一个 DNS 客户端想要知道 www.amazon.com 的 IP 地址,那么上面的域名服务器是如何解析的呢?首先,客户端会先根服务器之一进行关联,它将返回顶级域名 com 的 TLD 服务器的 IP 地址。该客户则与这些 TLD 服务器之一联系,它将为 amazon.com 返回权威服务器的 IP 地址。最后,该客户与 amazom.com 权威服务器之一联系,它为 www.amazom.com 返回其 IP 地址。

我们现在来讨论一下上面域名服务器的层次系统

  • 根 DNS 服务器 ,有 400 多个根域名服务器遍及全世界,这些根域名服务器由 13 个不同的组织管理。根域名服务器的清单和组织机构可以在 https://root-servers.org/ 中找到,根域名服务器提供 TLD 服务器的 IP 地址。
  • 顶级域 DNS 服务器,对于每个顶级域名比如 com、org、net、edu 和 gov 和所有的国家级域名 uk、fr、ca 和 jp 都有 TLD 服务器或服务器集群。所有的顶级域列表参见 https://tld-list.com/ 。TDL 服务器提供了权威 DNS 服务器的 IP 地址。
  • 权威 DNS 服务器,在因特网上具有公共可访问的主机,如 Web 服务器和邮件服务器,这些主机的组织机构必须提供可供访问的 DNS 记录,这些记录将这些主机的名字映射为 IP 地址。一个组织机构的权威 DNS 服务器收藏了这些 DNS 记录。

一般域名服务器的层次结构主要是以上三种,除此之外,还有另一类重要的 DNS 服务器,它是 本地 DNS 服务器(local DNS server)。严格来说,本地 DNS 服务器并不属于上述层次结构,但是本地 DNS 服务器又是至关重要的。每个 ISP(Internet Service Provider) 比如居民区的 ISP 或者一个机构的 ISP 都有一台本地 DNS 服务器。当主机和 ISP 进行连接时,该 ISP 会提供一台主机的 IP 地址,该主机会具有一台或多台其本地 DNS 服务器的 IP地址。通过访问网络连接,用户能够容易的确定 DNS 服务器的 IP地址。当主机发出 DNS 请求后,该请求被发往本地 DNS 服务器,它起着代理的作用,并将该请求转发到 DNS 服务器层次系统中。

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