Application Layer#

通常只需要跟 Transport Layer 互動就好
提供各種我們現實真的看得到的服務

Principle of Application layer#

Client-Server paradigm (model)#

Server: 有個固定 IP，要提供服務
Client: 不固定，要要求服務，可能要 communicate, contact 『 Through Server 』

P2P architecture#

只有節點不需要 Server
Self scalability: New peer bring new service capacity

Process communication#

在同一台 Host 的話會使用 IPC 進行溝通
不同台 host 就要使用 message 傳送

Socket#

Socket 會把資料從一個 host 接收或是傳送
傳送端、接收端都要有個 Socket
可以拿到 IP Address 和 Port number

Available in Transport Layer#

Data Integrity: Reliable Data Transfer
Timing
Throughput
Security
以下是常見服務隊各種屬性的要求

Available in Transport Layer

Transport Layer#

TCP service:
- reliable
- flow control
- congestion control
- connection-oriented
UDP service
- unreliable
- 可以自己建立其他檢查，不需使用 TCP 必帶

Web, HTTP#

HTTP: hypertext transfer protocol
- Client: browser
- Server: Web servers
- 用的是 TCP protocol
- Stateless: 並不會記錄前面的訊息，只有現在的狀態
  - 不紀錄是因為太複雜了

http://www.someSchool.edu/someDepartment/home.index

plaintext

www.someSchool.edu 是 host name
/someDepartment, /home.index 是 path

HTTP connection#

Non-persistent: 一次開一個 TCP 只用來傳送一個 object

\text{Non-persistent HTTP response time} = 2 RTT + \text{file transmission time}

要花兩個 RTT 時間，太久了
Persistent: 一個 TCP 可以送很多個 object (HTTP/1.1 就是用這個)
- 讓 response time 變成一個 RTT 而已

HTTP Request message#

GET /somedir/page.html HTTP/1.1
Host: www.someschool.edu
Connection: close
User-agent: Mozilla/5.0
Accept-language: fr

http

每行結尾都有 \r\n
大致結構如下
- request 下面是 header 資訊
HTTP Request message

Types of HTTP Request message#

POST: 上傳 form 資料（用 body）
GET: 接收資料
HEAD: for debugging
PUT: 上傳資料（用 URL）

HTTP Response message#

HTTP/1.1 200 OK
Connection: close
Date: Tue, 18 Aug 2015 15:44:04 GMT
Server: Apache/2.2.3 (CentOS)
Last-Modified: Tue, 18 Aug 2015 15:11:03 GMT
Content-Length: 6821
Content-Type: text/html

(data data data data data ...)

http

最重要的是 Status code 表示 request 的回應狀態
- 200 OK: 請求成功執行了，並且資訊也在回應中正常地回傳了
- 301 Moved Permanently: 所請求的物件已經被永久的移動到另一個地方了，新的 URL 會寫在標頭行中的 Location: 欄位中，客戶端會自動往這個新的 URL 做請求
- 400 Bad Request: 這是當伺服器看不懂請求訊息時會用的一個通用的錯誤碼
- 404 Not Found: 所請求的檔案不存在於這個伺服器上
- 505 HTTP Version Not Supported: 請求所使用的 HTTP 協定版本該伺服器不支援

因為 HTTP stateless，所以會在 browser 紀錄於本地端，包含四個 component
1. cookie header: 在 response 中
2. 被設定後，會被放在 request 裡
3. 會被記錄在 user’s host
4. 向 Back-end database 請求資料

有了 cookie 我們就可以紀錄

authorization
shopping cart
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Web Caches#

GOAL: 創造出一塊 buffer 以減少大家使用真正 server 的次數，減低負擔，如果有 request 來

資料有在 cache 裡面就不用走到 server 直接回傳
沒有的話 cache 會向 server 要

Server 可以用 Control header 對 Cache 下指令

可以減少 server 收到的 request
可以減少 access link 的 traffic

Web Caches 1

觀察一下 Access link 使用率，真的非常高

\text{Access link 使用率} = \frac{1.50 \text{ (Mbps)}}{1.54\text{ (Mbps)}} = 0.97

但看一下 LAN 使用率，非常低

\text{LAN 使用率} = \frac{1.50 \text{ (Mbps)}}{1\text{ (G bps)}} = 0.0015

分析一下 $D_{e2e}$

\begin{aligned} D_{e2e} &= D_{\text{Internet}} + D_{\text{Access link}} + D_{\text{LAN}} \\ &= 2 \text{ sec} + \underset{\text{Queuing delay 會指數增加}}{\text{minute}} + \text{usec} \end{aligned}

Web Caches 2

假定 hit rate 是 0.4，表示四成資料會不需要經過 Access link，只需要 msec delay，剩餘 60％維持原樣

\text{Hit rate} = 0.4

觀察 Access link 使用率

\text{Access link 使用率} = \frac{1.50 \times 0.6 \text{ (Mbps)}}{1.54\text{ (Mbps)}} = 0.58

這樣就只需要 (msec) 等級的 delay 就好，因為指數性減少

\begin{aligned} \bar{D}_{e2e} &= 0.6 \cdot ( \text{delay from origin server}) + 0.6 \cdot (2.01 \text{delay with cache}) \\ &= 0.6 \cdot (2.01 \text{ seconds}) + 0.4 \cdot (0.01 \text{ seconds}) \end{aligned}

Conditional GET#

Check if cache is up-to-date
會進行以下機制，自動排除寄送 304 Not Modified
- 加入一行 header If-modified-since: <date>
Conditional GET

HTTP/2#

把資料分解成 frame 去做 HOL Blocking
如果 $O_1$ 必須一起送出，那 $O_2 \to O_4$ 會 delay 非常嚴重，但分段就可以讓 delay 只存在 $O_1$
HTTP/2

Email, SMTP#

Email 分為三個部分

Mail server: 存有 message queue
User Agent
SMTP protocol: 推送信件到另一個 Server

Email, SMTP 1

SMTP 用的是 Direct Transfer

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

plaintext

Email, SMTP 2

Compare to HTTP#

HTTP: client PULL, single object
SMTP: client PUSH, multi object
都用 Status code, ASCII
IMAP: Can organize

DNS (Domain name system)#

我們已知網域起碼就有兩種表示
- hostname
- IP
DNS 是一種 distributed database，由很多 name server 組成
用 application layer protocol implement 避免使用 core 而是使用在 edge 上的 server

DNS Services#

Hostname-to-IP-address translation
host aliasing
- canonical
- alias names
Mail server aliasing
分散 loading 因為要經由 DNS

A Distributed, Hierarchical Database#

A Distributed, Hierarchical Database

根域名 DNS 伺服器 (root DNS servers)
- 具有非常重要的功能
- ICANN 定義的
頂級域名 DNS 伺服器 (top-level domain (TLD) DNS servers)
- .com, .edu, .org
- 註冊新網域要在此申請
權威域名 DNS 伺服器 (authoritative DNS servers)
- 組織名註冊

Iterated Query#

要一層一層訪問才能獲得真正的網域，可能會造成 congestion

Iterated Query

Recursive Query#

同樣一層一層訪問，但不用每次都回到 local DNS server

Recursive Query

DNS Caching#

會設定 TTL
減少獲取網域時間
若有 hostname 改了 IP，Cache 不會管現在對不對，他只會固定時間去取，你很可能在這段時間裡拿到了錯誤的資料，進不去網域

DNS Record#

Format (Name, Value, Type, TTL)
- Type A: name = hostname, value = IPv4
- Type AAA: name = hostname, value = IPv6
- Type CNAME name = alias, value = canonical name
- Type NS: name = domain, value = hostname of nameserver
- Type MX: for mail

DNS protocol message#

DNS protocol message 1

DNS protocol message 2

P2P#

P2P 1

在 client-server 架構裡，只有 server 在上傳，所以若有 $N$ 份大小為 $F$ 的資料，則 delay 為

D_{cs} = \max\left\{ \frac{NF}{u_s}, \frac{F}{d_{min}} \right\}

在 P2P 的架構裡由於每個 peer 都可以作爲上傳端，因此 delay 為

D_{cs} = \max\left\{ \frac{NF}{u_s}, \frac{F}{d_{min}}, \frac{NF}{u_s + \sum u_i} \right\}

這兩個公式在人數多的時候會體現出非常大的差異

P2P 2

BitTorrent#

在某一個 torrent 裡面的 peer 們會從其他的 peer 那邊下載該檔案的等大的 chunks -通常 256Kb 為一個 chunks
運作方法如下
- 每個節點（例如 Alice）會持續測量鄰居傳送資料給她的傳輸速率，並挑選前四快的鄰居進行回應，這四個鄰居被稱為 unchoked。
- 作為回報，Alice 也會傳送 chunks 給這四個鄰居。
- 每隔 10 秒，Alice 會重新測量速率並可能更換這四個對象。
- 每隔 30 秒，Alice 會 隨機選擇一個鄰居（例如 Bob），並傳送一個 chunk 給他。這個鄰居被稱為 optimistically unchoked。
- 如果 Bob 的回傳速率夠快，他可能進入 Alice 的前四快提供者名單，雙方便會進行互利的資料交換。

這樣的設計讓快速上傳的 peer 彼此更容易連結，也讓新加入的 peer 有機會取得資料進行交易。除了這五個（前四快 + 隨機挑選的一位）之外的其他 peer，則被稱為 choked，不會收到任何 chunk。

這套演算法的獎勵機制被稱為 「tit-for-tat」 策略。雖然研究指出該機制可能被規避，但整個生態系仍非常成功，擁有上百萬個同時在線的 peer 與數十萬個 torrents 進行分享。如果沒有這種機制，多數使用者可能會成為 freerider，BitTorrent 甚至可能無法存活。

Video Stream & CDN (Content Distribution Network)#

80% 的 congestion 都是 video 的
會使用 coding technique 來壓縮佔用空間
- CBR (Constant Bit Rate)
- VBR (Variable Bit Rate): 根據時間, 空間決定 encoding rate

DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP)#

Server:
- 把影片分成多個 chunk
- 每個 chunk 用不同 rate encode 存在不同檔案裡
- 使用 manifest file 來提供不同 chunk 的 URL
Client:
- 隨時間判對 decoding 速度
- Consult manifest file, Get one chuck at a time

CDN (Content Distribution Network)#

mega server 不可行，跟 DNS 同一個原因
因此我們採用分散式系統
- Enter deep: server cluster 佈署到世界各地的存取網路供應商當中，深入 ISP
- Bring home: section 1.5，放在 IXP 裡面
這是一種 OTT (over the top) 服務
- content 並不是 internet 但是使用了 Internet
運作原理是可以讓 Server 根據 Congestion 情況判斷應該從哪個 CDN 拿取資料。

CDN

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NTU Computer Networking

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NTU-CN 計算機網路 Ch2 Application Layer

Application Layer#

Principle of Application layer#

Client-Server paradigm (model)#

P2P architecture#

Process communication#

Socket#

Available in Transport Layer#

Transport Layer#

Web, HTTP#

HTTP connection#

HTTP Request message#

Types of HTTP Request message#

HTTP Response message#

Cookie#

Web Caches#

Conditional GET#

HTTP/2#

Email, SMTP#

Compare to HTTP#

DNS (Domain name system)#

DNS Services#

A Distributed, Hierarchical Database#

Iterated Query#

Recursive Query#

DNS Caching#

DNS Record#

DNS protocol message#

P2P#

BitTorrent#

Video Stream & CDN (Content Distribution Network)#

DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP)#

CDN (Content Distribution Network)#

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