读书笔记:计算机网络8章:应用层
这是我在Coursera上的学习笔记。课程名称为《Computer Networks》,出自University of Washington。
因为计算机网络才诞生不久,眼下正在以快速在发展,所以有些旧的教材可能都已经跟不上时代了。这门课程在2013年左右录制,知识相对还是比較新的。覆盖了计算机网络中的各个协议层,从物理层到应用层都讲得很细致。学完这门课程之后对计算机网络会有比較深刻的了解。
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章节概要
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课程位置
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在传输层之上的应用层
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回顾
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应用层协议通常也是应用的一部分
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应用不一定须要界面。比方DNS应用
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应用层消息一般是分成多个包进行传输的。接收方将数据包合并在一起,成为一个大的数据包
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应用通信须要什么
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须要的东西非常多。必须建立在传输层之上
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Web:须要传输不同长度的数据包。建立在TCP之上
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DNS:须要简短的、可靠的消息传输。建立在UDP之上
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Skype:须要实时消息。建立在UDP之上
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OSI会话层、表示层
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一般会话层和表示层是应用层的一部分,通常没有严格的区分
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会话概念
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会话就是一系列相关的网络通信。这些网络通信是有上下文关系的
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表示层概念
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有些应用可能须要将应用层的数据经过编码后传输
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比方gzip/ssl
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近期几年应用层的发展
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应用层的协议一直在变化
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见图片
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能够通过下面几个方面了解互联网的发展
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Akamai's State of the Internet Report:http://www.akamai.com/stateoftheinternet/
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Cisco's Visule Netowrking Index
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Mary Meeker's Internet Report
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www.evolutionoftheweb.com
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互联网的增长非常健壮,大部分的数据流量是视频,将来的几年将会达到90%,无线的流量将会超过有线的流量。移动设备的流量仍然仅仅占了非常小的一部分。越来越多的攻击流量来自中国,还有美国、俄罗斯
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话题
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互联网应用的发展
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DNS
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HTTP
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WEB代理、缓存
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CDN
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P2P
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实时应用VoIP
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近期几年应用层的发展
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DNS
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话题
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DNS域名解析系统
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域名和地址
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域名是资源的高层标识符
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地址是资源的底层标识符
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解析就是将域名转换成地址
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DNS的前身是hosts.txt
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hosts.txt由NIC机构管理,将全部的域名都放在这个文件里
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域名一開始是平坦的,后来就变成分层结构了
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DNS
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DNS是一种将域名转换成地址的服务
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目标是为了便于管理,高效
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实现方法:将域名组织成分层结构。再通过自己主动化的协议将这些碎片组合在一起
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DNS命名空间
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根域名从“.”号開始,通常情况下省略
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分层结构举例
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.
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org
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com
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eng
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cisco
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edu
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washington
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cs:cs.washington.edu.
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eng
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TLD顶级域名
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TLD由ICANN运营。有22个经常使用的TLD:.com .edu .gov .mil .org .net等
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不同的TLD有不同的政策
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还有大约250个国家代码的TLD
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域名的机智使用方法:.tv instagr.am goo.gl
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DNS域
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DNS域指的是命名空间中连续的一部分名称
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DNS域是分布式的基础
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每一个域都有域名解析服务,每一个域名能解析子域名。比方edu域名能解析子级域名washington.edu的地址
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域名的资源记录
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SOA:Start of Authority。是域的关键參数
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A:IPv4地址
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AAAA:IPv6地址
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CNAME:别名
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MX:邮箱server
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NS:域名server
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DNS解析
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话题
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DNS是怎样解析的
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回顾
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DNS域是域名空间中连续的域名
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DNS解析
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DNS协议让主机能够将不论什么域名解析成IP地址
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刚開始假设什么都还不知道,能够从根域名開始解析
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举例,解析robot.cs.washington.edu。先通过根域名server获取edu域名的NS记录,再通过edu的NS记录获取washington.edu的NS记录,再通过它获取cs.washington.edu,再通过robot.cs.washington.edu。这就是域名的分层结构
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迭代请求和递归请求
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递归请求:一次性解析整个域名,仅仅须要client调用一次DNS即可了
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迭代请求:client须要发送多次DNS请求来解析一个域名
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递归请求降低了client的工作量,可是添加了服务端的工作量。同一时候管理方面更加方便一些
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迭代请求降低了服务端的工作量。而且easy建设高性能的server
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递归请求和TCP连接都须要server有上下文关联
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缓存
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域名解析的延时应该尽量的小
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能够通过缓存将域名解析的延时降低到差点儿为0。
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域名解析的时候server会返回TTL,表示一个域名的地址最多能缓存多久
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本地域名server
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本地域名server通常由ISP运营。可是也能够是主机或者AP。也能够是Google public DNS
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client须要知道DNSserver的地址。通常能够通过DHCP获取
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根域server
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世界上仅仅有13个根域服务器,a.root-servers.net ~ m.root-servers.net
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有250+个分布式server实例,高性能,高可靠的服务
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大部分的server通过anycast随意播的技术提高server的性能
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支持IPv4和IPv6
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DNS协议
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它是一种请求-应答的消息。基于UDP,port号是53。
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使用ARQ提高可靠性
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消息中有16位的ID字段,依据ID字段才干知道应答和请求的相应关系,才干区分不同的请求和应答
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非常多情况下,DNS返回的结果是一个地址列表,而不是单个地址。这样client就能够在多个地址中选择一个能够用的地址进行连接了。这样的方式能够提高可靠性。同一时候也能够将请求分摊到多个server上,降低了单个server的负载
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安全问题是一个非常大的问题,由于数据在传输的过程中可能会被改动。所以如今引入了DNSSEC安全扩展,眼下还没有普及这项技术
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HTTP
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话题
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怎样通过HTTP获取Web内容
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Sir Tim Berners-Lee
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发明了Web
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Web上下文
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Web是一系列资源的集合。比方文字、视频、图片
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HTTP上下文
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HTTP是一种请求-应答类型的协议,用于获取Web资源
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基于TCP,port号为80
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通过HTTP获取Web网页
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http://en.wikipedia.org/wiki/Vegemite
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http是协议
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en.wikipedia.org是server
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/wiki/Vegemite是server上的页面
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步骤
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通过DNS解析server的地址
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配置server的TCP连接
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发送HTTP请求来获取页面
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等到HTTP返回页面
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运行/获取嵌套的资源/渲染
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清理闲置的TCP连接
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静态页面和动态页面
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静态页面一般就是文件,比方图片文件
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动态页面是程序运行的结果。包含client的JS,或者服务端的PHP
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HTTP的发展
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1991 HTTP/0.9
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1992 HTTP/1.0 增加了Cookies / SSL2.0
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1996 HTTP/1.1 增加了Connection: Keep-Alive
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2002~2009 出现了非常多网页技术。MIME type / 浏览器脚本 / 服务端脚本。可是对HTTP协议的影响差点儿没有
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2009 HTTP/2.0 增加了SPDY,加快网页传输速度
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HTTP协议
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原本是一个非常easy的协议,可是后来添加了非常多配置项,到如今已经变得非常复杂了
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HTTP的协议头部全是文本
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HTTP命令:GET HEAD POST PUT DELETE TRACE CONNECT OPTIONS
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HTTP应答代码
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1xx 信息
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2xx 成功
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3xx 跳转
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4xx client错误
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5xx 服务端错误
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头部字段指定了能力和内容
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和能力相关的字段:User-Agent Accept Accept-Charset Accept-Encoding Accept-Language
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和缓存相关的:If-Modified-Since If-None-Match Date Last-Modified Expires Cache-Control ETag
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和浏览器内容相关的:Cookie Referer Authorization Host
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和服务端内容相关的:Content-Encoding Content-Length Content-Type Content-Language Content-Range Set-Cookie
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SPDY资料:
SPDY (pronounced speedy)[1] is an open networking protocol developed primarily at Google for transporting web content.[1] SPDY manipulates HTTP traffic, with particular goals of reducing web page load latency and improving web security. SPDY achieves reduced latency through compression, multiplexing, and prioritization.[1] The name "SPDY" is atrademark of Google and is not an acronym.[2]
As of July 2012, the group developing SPDY has stated publicly that it is working toward standardisation (available as anInternet Draft).[3] The first draft of HTTP 2.0 is using SPDY as the working base for its specification draft and editing.[4]
Implementations of SPDY exist in Chromium,[5] Mozilla Firefox,[6] Opera,[7] Amazon Silk, and Internet Explorer.[8]
SPDY是一种开源的网络协议,由GOOGLE发明,用于传输网页内容。SPDY通过操作HTTP数据流来降低网页载入延时,提高网络的安全性。SPDY通过压缩、多址、提升优先级来降低载入的延时。SPDY不是缩写,而是SPEEDY的简写
2012年7月,SPDY开发团队起草了HTTP2.0的标准。
SPDY已经在Chrome, Firefox, Opera, Amazon Silk, IE中实现了。
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HTTP协议性能
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话题
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HTTP多线程、长连接
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PLT页面加载时间
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页面加载时间是网页性能的关键指标
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从点击到用户看见网页的时间
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PLT添加一点点,浏览量就会降低非常多
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影响因素有非常多:页面结构、网络协议、网速
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早期HTTP的性能
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HTTP/1.0在一次TCP连接中仅仅获取一个网页的资源
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这样的情况下HTTP很easy。可是PLT很大
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性能差的原因
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没有使用多线程
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同一个server使用多次连接
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每次TCP连接都会使用“慢启动”
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网络没有全然利用
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降低PLT的方法
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降低内容的大小,比方使用更小的图片,使用GZIP对网页进行压缩
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改变HTTP来提高带宽的使用率
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改变HTTP来避免传输反复的内容:缓存、代理
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将server移动到client近一点的地方:CDN
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并发连接
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同一时候发起多个HTTP连接
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服务端不须要不论什么改变,由于服务端原本就支持多线程
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这样的方法带来的效果很有限,主要看最后一个网页资源的获取时间
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长连接
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并发连接会相互竞争,所以有时候PLT也会比較慢。
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对于同一个server,使用1个TCP进行连接,然后在一次连接中发起多次HTTP请求
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举例
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在没有长连接的情况下每次HTTP都要发起一个TCP请求
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在顺序长连接的情况下每次TCP连接能够通过多个HTTP连接,运行顺序是这种:发起请求、等待、应答请求、发起请求、等待、应答请求
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在管道长连接的情况下每次TCP连接能够通过多个HTTP连接,运行顺序是这种:发起请求、发起请求、等待、应答请求、应答请求
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长连接在HTTP/1.1中常常使用,支持管道长连接
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长连接的问题:TCP连接要保持多久呢?有没有可能比没有长连接还要慢呢?
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HTTP缓存、代理
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网络缓存
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用户常常訪问同一张网页,能够将远程的内容保存到本地,当须要訪问的时候直接从本地读取,这样就不须要用到网络了,极大地提高了速度。这就是缓存
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关键问题是,缓存能使用多久?
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通过本地的信息来推断缓存是否依旧有效,比方通过过期时间、通过启示式的方法
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通过远程server来验证缓存是否有效。比方通过时间戳Last-Modified字段、或者基于内容 ETag 字段。大概 1 RTT就能知道缓存是否过期。
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实现原理:client向server发送GET请求,请求中包括了时间戳或ETAG字段,服务端依据缓存的有效情况要么返回Not Modified,要么返回200 OK再加上新的数据
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Web代理
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client通过代理訪问server。这样能够通过缓存添加性能,同一时候提高安全性。也能够依据client的角色来控制不同的訪问权限。
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Web代理提供了更大的缓存,全部用户共享的缓存,client能够从中获得优点。可是优点收到安全性、动态性的限制
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代理和CDN类似,须要放在距离用户近的地方,这样才干提快速度
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CDN
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话题
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CDN:高效的分布式内容分发网络
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起源
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随着Web的诞生,网络流量迅速增长。单个server的负载非常大,导致网络堵塞,用户体验差
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基本思路:将数据放在离client近的地方,这样就攻克了上面的问题
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举个样例,client要发起4次连接,在没有CDN的时候,须要经过4×3跳才干完毕任务。在有CDN的情况下,因为CDN做了缓存,仅仅须要经过4+2跳就能完毕任务。
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CDN带来的优点就是降低了server的负载,降低了PLT,加强了用户体验
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zipf定律:排名第K的站点流行度为1/k。大部分网络流量集中在小部分站点中
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怎样将数据存放在离client近的位置呢
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使用浏览器缓存和代理缓存,这样的方法能高起到一定作用,可是作用很有限
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还能够通过CDN来实现,通过设置DNS,将一个域名相应多个地址
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CDN
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设置DNS,将不同区域的DNS设置成不同的地址。这样不同地区的用户解析域名的时候得到的地址是不一样的。详细的实现方案就是在DNSserver上依据IP来源推断地区,再返回对应地区的CDN地址
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业务模型
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将站点的一部分缓存 到ISP中。这是一种双赢的策略。它添加了用户体验,同一时候降低了ISP的带宽使用。
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HTTP的未来
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话题
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HTTP的未来
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怎样提高页面的载入速度
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现代的网页
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(通过webpagetest.org生成)
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这幅图叫做瀑布图,显示了页面加载的网络连接情况
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瀑布图的影响因素有非常多:不同的浏览器,不同的缓存情况,网络情况都有关系
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降低TLD的措施
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页面变得越来越复杂,怎样降低PLT呢
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使用HTTP/2
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优化内容结构:使用mod_pagespeed扩展
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SPDY
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在一个TCP连接中发起并行的HTTP请求,client对并行请求进行优先级排序,HTTP头部压缩,server主动推送相关的资源
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眼下仍然在測试阶段
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mod_pagespeed
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对页面进行压缩、变换等操作,让server又一次编译页面,让client载入更快
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压缩JS,压缩CSS,缩放图片大小,还有100多种详细规则
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P2P内容分发 BitTorrent
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话题
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P2P内容分发
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不须要中心server,是一种去中心化的协议
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起源
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因为CDN须要中心server,所以诞生了P2P去中心化的内容分发网络
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P2P
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P2P的目标就是去中心化实现内容分发
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主要想法就是让參与P2P的用户互相帮助
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P2P的挑战
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没有server支持,全部的连接须要用户主机自己组织。这就导致了一些问题。
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每一个节点的能力有限
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參与者可能是自私的,为什么节点之间会相互帮助呢
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去中心化,节点之间怎样找到对方呢
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克服能力的限制
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每一个节点都是client,同一时候也扮演着server的角色
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參与者可能是自私的
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每一个节点都扮演着两种角色,下载或者上传
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防止自私的方法就是:假设你给我数据,我也给你数据
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实现去中心化
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节点必需要知道对方的地址是什么
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能够通过DHT分布式哈希表来实现
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DHT是全然去中心化、高效的分布式索引
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BitTorrent
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现在使用的基本的P2P系统
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使用torrents来分发数据。每一个节点将文件分割成非常多片段,然后将这些片段进行传输
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BitTorrent协议
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第一步:从開始torrent种子開始
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第二步:联系tracker,将自己增加到列表中,而且获取其它的用户列表
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使用DHT网络来更新节点列表
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将自己的数据片段和别人的数据片段进行交易,对自己贡献多的节点优先考虑
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全部的节点都是同一时候下载/上传数据
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将文件切割成非常小的片段来提高传输速度
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孤立贡献小的节点,鼓舞他作出很多其它贡献
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DHT是全然去中心化的
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P2P前景
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是CDN的替代品
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P2P和DHT技术有了很多其它的应用,比方SKYPE AMAZON
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还有比特币
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