第四章 Internet基本服务

第四章 Internet基本服务章前导读通过本章，你可以学习到：●网络应用进程的两种主要通信模型●Internet域名解析相关知识●远程登录服务、FTP服务、电子邮件系统、Web系统的工作原理以及相关协议知识本章学习流程图4.1 网络应用进程通信模型Internet各种应用层协议都是为了解决某一类应用问题，虽然这些问题各异，但它们的解决方案都是通过网络上不同主机的多个应用进程之间有序的通信和协同工作来实现的。

根据通信过程中各主机之间的交互方式，网络应用进程通信模型主要有两种：客户机/服务器模型（C/S）、对等计算模型（P2P）。

4.1.1 客户机/服务器模型网络应用进程通信中最重要的交互方式是客户机/服务器（Client/Server，C/S）模式。

Internet提供的很多服务都采用这种模式，如FTP、DNS、Email、Web服务、Telnet等。

1. 客户机/服务器模式工作原理在TCP/IP网络应用中，通信的两个进程间相互作用的主要模式是客户机/服务器模式，即客户机向服务器提出请求，服务器接收到请求后提供相应的服务。

在这种模式下，一个或多个客户机与一个或多个服务器，以及下层的操作系统进程间通信系统，共同组成一个支持分布计算、分析和表示的系统。

客户机/服务器模式在操作过程中采取的是主动请求的方式。

服务器提供服务时，首先打开一个通信通道，并告知本地主机，它愿意在某一地址和端口上接收客户机请求，然后等待客户机请求，当接收到服务请求时，立即处理该请求并发送应答信号，处理结束后继续等待新的请求。

客户机发送请求时，首先打开一个通信通道，并连接到服务器所在主机的特定端口，然后向服务器发送请求报文，等待并接收应答。

图4.1显示了客户机/服务器模式通过互联网进行交互的过程。

图4. 1 客户机/服务器模式交互模型2. 客户机/服务器模型特性客户机/服务器模式的建立主要基于两点问题，即资源的不对等性与通信进程异步性。

由于服务器通常比较复杂，能提供多种服务，对主机的软硬件资源有一定要求，而客户机进程功能简单，往往只请求某一种服务，这就造成了网络中软硬件资源、运算能力和信息不均等，进而形成拥有众多资源的服务器提供服务而资源较少的客户机请求服务的非对等模型。

图4.2中，运行服务器进程的主机提供Web服务、FTP服务和文件服务，客户机1、客户机2和客户机3分别运行访问文件服务和Web服务的客户机进程，因此，通过互联网，文件系统服务器为客户机1提供服务，而Web服务器则根据客户机2和客户机3的请求，同时为它们提供服务。

图4. 2多服务器进程及并发处理多个客户机请求模型网络进程通信是异步的，相互通信的进程间既不存在父子关系，又不共享内存缓冲区，因此需要一种机制为待通信的进程间建立联系，为二者的数据交换提供诸如何时开始通信、何时发送信息、何时接受信息等的同步支持，这就是基于客户机/服务器模式的通信模型。

表4.1对客户机进程和服务器进程的性能进行了对比。

表4. 1客户机进程和服务器进程特性对照表客户机/服务器模型是应用软件之间最常用、最重要的交互模型，它与传统的分时共享模式和资源共享模式相比，具有众多无法替代的优点。

3. 客户机/服务器模式存在的问题（1）标示一个特定的服务一个服务器可以提供多种服务，这就要求传输协议必须提供一套机制让客户机进程无二义性地指明所要求的服务。

这种机制赋予每个服务一个唯一的标识，并要求服务器进程和客户机进程都使用这个标识。

当客户机需要向服务器请求服务时，客户机通过指明请求服务的标识来说明自己所需要的服务，并通过传输协议软件将该标识发送至服务器端的计算机。

当服务器进程开始执行时，首先在本地主机上注册所提供服务标识，当运行服务器进程的主机接收到客户机请求时，根据客户机所提供的标识，将该请求转交给注册该特定标识的服务器进程处理。

传输协议支持两种基本通信方式，即面向连接的和无连接的。

面向连接的传输协议TCP 要求通信的两个应用先建立连接后传输数据，通信结束后关闭连接。

无连接的传输协议UDP 在通信时根据发送方指明的目的地，直接进行数据传输。

在TCP/IP网络中，服务器进程通常使用TCP协议或UDP协议的端口号作为标识，这是一个16位整数型数值。

服务器进程启动时，首先在本地主机注册自己使用的TCP或UDP端口号，在声明该端口号已被占用的同时，也通知本地主机如果在该端口上收到信息，需要将这些信息转交给注册该端口的服务器进程处理。

客户机进程需要请求某个服务时，可以与服务器进程的TCP端口建立连接，或者向服务器进程使用的UDP端口发送信息。

（2）服务器响应并发请求问题一台计算机能提供多种服务，每种服务有一个独立的进程，如果能同时运行多个进程，则称它支持并发。

并发性是实现客户机/服务器交互模式必须具备的条件。

网络中客户机发起请求是随机的，这就可能出现多个请求同时到达服务器的情况，服务器必须能够响应多个并发请求。

服务器可以有以下两种方案处理并发请求。

重复服务器（Iterative Server）方案该方案也称为循环服务器方案，它的服务器进程中包含一个请求队列，客户机请求到达后，首先进入队列中等待，服务器按照先进先出（First In First Out）的原则顺序作出响应。

图4.3为该方案响应请求的示意图。

图4. 3重复服务器方案示意图这种模式在同一时间只能处理一个客户机的请求，故对系统资源要求不高。

如果服务器需要在较长时间内才能完成一个请求任务，那么，其他的请求必须等待很长时间才能得到响应，故这种模式通常只能用于处理速度较快，处理逻辑比较简单的服务器程序的开发，如Linux的时间服务器。

并发服务器（Concurrent Server）方案并发服务器是一个守护进程（Daemon），在没有请求时，它处于等待状态。

一旦客户机请求到达，服务器立即为之创建一个子进程，然后回到等待状态，由子进程响应请求。

当下一个请求到达时，服务器再为之创建一个新的子进程。

其中，并发服务器叫做主服务器（Master），子进程叫做从服务器（Slave）。

图4.4为该方案响应请求的示意图。

图4. 4并发服务器方案示意图这种模式在同一时间可以处理多个请求，故并发服务器解决方案具有实时性和灵活性的特点。

主服务器经常处于等待状态，多个客户机同时请求的任务分别由不同的从服务器并发执行，这种处理模式可以尽量避免单处理模式中的对客户端请求响应不及时的问题。

但是，由于创建多个子进程，需要占用较多的CPU处理时间和系统资源，并且需要处理多个进程间的通信和数据共享问题，故对主机的软硬件资源要求较高。

因此，这种模式主要针对于面向连接的服务，一般用于处理不可在预期时间内完成的请求或者对速度要求较高的服务，如文件传输服务（FTP）。

（3）服务器进程的安全问题服务器进程拥有较高的权限，可以经常性的访问系统文件、保存日志、访问保护数据等。

同时，操作系统通常对服务器试图访问的用户文件也不加限制，这就导致用户能直接访问到中心数据，可能造成敏感数据被修改或者丢失。

因此，服务器不能无所顾忌地相信任何客户机，盲目处理任何客户机的请求。

它必须承担保障系统安全性的责任，负责实施系统访问和保护策略。

震惊世界的莫里斯“蠕虫”（Worm）病毒就是利用服务器安全漏洞在Internet 中大量复制并造成极大损失的。

4.1.2 对等计算模型1. 对等计算模型概念对等计算（Peer to Peer，简称P2P）可以简单的定义成通过直接交换来共享计算机资源和服务，而对等计算模型在应用层形成的网络通常称为对等网络。

与传统的服务器/客户机模型不同，对等计算的体系结构是令传统意义上作为客户机的各个计算机直接互相通讯，完成信息的共享和交换、计算资源共享（如CPU）、存储共享（如缓存和磁盘空间）等，这些计算机实际上同时扮演着服务器和客户机的角色。

在P2P网络环境中，成千上万台彼此连接的计算机都处于对等的地位，整个网络一般来说不依赖专用的集中服务器。

因此，对等计算模型可以有效地减少传统服务器的压力，使这些服务器可以更加有效的执行其专属任务。

不同机构对P2P的定义没有本质上的区别，只是从不同侧面分别强调了P2P网络的特点。

表4.2给出了几种P2P的定义。

表4. 2 P2P的定义对等网络分布范围比较小，网络中计算机的数量也比较少，一般在10台以内，所以网络拓扑相对简单。

对等网络安全管理分散，数据保密性差，它通过最直接交换来共享资源和服务，网络中各结点地位平，兼作服务器和客户机，组网成本较低。

2. P2P网络的基本结构P2P网络存在四种主要结构类型，分别是以Napster为代表的集中目录式结构、以Pastry、Tapestry、Chord、CAN为代表的分布式结构化P2P网络结构、以Gnutella为代表的分布式非结构化P2P网络结构，和以Skype、eDonkey、PPLive等为代表的混合式P2P网络结构。

（1）集中式（Centralized Topology ）P2P网络集中式P2 P网络并没有完全脱离传统的C/S结构，它有一个中心服务器来负责记录共享信息以及应答对这些信息的查询，典型代表为Napster和Mase。

集中式P2P网络将所有网上提供的资料都分别存放在提供该资料的客户机上，服务器上只保留索引信息，服务器与对等实体以及对等实体之间都具有交互能力。

下面以Napster系统为例，说明集中式P2P网络的工作原理与特点。

Napster系统产生于1999年，是最早的实用化P2P系统，主要用来进行文件共享和交换，图4.5所示为Napster的系统架构，其工作原理如下：用户A（结点3）登录时将本地共享文件的目录报告给Napster中央服务器用户A向Napster服务器查询内容，并从服务器处得到结果用户A根据查询结果向所有提供此内容的用户结点进行Ping，挑选出最佳网络传输速率的用户B（结点4）用户A与用户B之间建立直接网络连接，下载得到查询内容。

图4. 5Napster系统架构这种形式为开放性共享系统提供了强大的管理能力，主要的数据传输在结点之间进行，中央服务器仅提供查询功能，与结点之间传输的数据量很小，避免了网络拥塞。

它要求有一个能连续运转的服务器，该服务器必须能够处理大量的用户连接，拥有足够的内存和磁盘空间来维护和搜索文件列表。

尽管Napster的使用与侵权、盗版等名词联系在一起，但不能因此就忽视Napster这一新兴领域所具有的潜力和广阔的应用前景，而阻止这一技术进步。

为了解决由于外界的压力而有可能导致系统停止运行的问题，于是产生了分布式的P2P网络形式。

（2）分布式非结构化（DecentralizedUnstructuredTopolagy）P2P网络分布式非结构化拓扑的P2 P网络采用随机图的组织方式形成一个松散的网络，如图4.6，其典型代表有Gnutella、Shareaza、Lime Wire和BearShare等。