2.1 应用层原理概述
网络应用是互联网存在的理由。应用层便承载了网络应用及其应用协议。
由于网络核心的节点没有应用层一说，研发网络应用程序的核心便是让应用能够在多个 端系统 上运行。
网络应用的架构
网路应用的主流架构目前有：客户-服务器结构、P2P结构 与两者混合的结构。
C/S 体系结构中，有一台持续运行并监听特定端口的 服务器，负责响应 客户 发来的请求并提供客户需要的服务。在这一模式中，服务器需要维持固定的、周知的 IP 地址与端口号，被动接受客户的请求；而客户端可以使用不同的 IP 地址主动向服务器发起请求。然而不同的客户端之间不会直接进行通信。
C/S 体系的最大问题在于其是 不可拓展的。因此，一旦请求流量超出某一阈值，服务器能提供服务的能力就会断崖式下降，服务可靠性下降。
P2P 体系结构中，应用程序可以在被称为 对等体 的主机对之间直接建立通信，每一个节点及可以是服务器也可以是客户端。
P2P 具有 自拓展性，这使得在某一个 P2P 集群中加入新的节点不会造成太大的开销。然而，由于松散、去中心化的结构，P2P 模式难以进行统一管理，可能会有安全、可靠性问题。
进程通信
不同端系统上的进程需要交换 报文 以进行通信。我们称 主动发起通信 的进程为 客户，被动等待连接 的进程为 服务器。
为了完成分布式的进程通信，需要解决如下问题：
- 如何对进程进行标识与寻址
解决方法：对应用层与传输层之间用于传输信息的 SAP 进行标识。具体方法：通过 IP 地址 标识主机信息；采用 TCP 或 UDP 协议，通过 端口号 标识进程信息。因此，一个 IP + Port 对便能唯一标识某个进程。
部分流行应用一般使用一个固定端接口号，例如：Web服务 / HTTP：80；邮件服务 / SMTP：25。详细请见：www.iana.org
- 如何调用传输层提供的服务
解决方法：应用进程生成包含 报文、发送方、接收方 的 SDU 传送给传输层，再由传输层进行传输，或从传输层获取应用层可以读取的 SDU。传输层自身对数据的封装处理等操作应用层并不关心。这样的应用层与传输层的层间接口被称作 套接字（Socket）。由于其可编程的特性，又属于一种 应用编程接口（Application Programming Interface，API）。
然而，每次向 Socket API 传送分组时都要附加发送方与接收方的信息过于冗余，不方便管理。因此 操作系统 维护了一个 Socket 句柄（Handler）与实际发送方与接收方的 IP + Port 对的字典。应用进程需要通过 Socket 向传输层发送分组时，只需要从操作系统处获得一个 Socket Handler，对该 Handler 进行处理即可，如同对文件进行操作一样。操作系统负责根据应用层调用的 Handler 提取出实际的 IP + Port 对交给传输层。该主机传输层之下与目标主机都无需知道该 Handler 的存在，也无需确保该 Handler 在各方端系统上是相同的。
具体到实际情况而言，根据使用的传输协议是 TCP 还是 UDP，Socket 的具体内容可能不同。对 TCP 而言，TCP Socket 存储了一个 (源 IP, 源 Port, 目标 IP, 目标 Port) 的四元组。其 唯一指定了两个进程之间的一个会话（Session），因此应用进程每次发包都无需专门指定发送方与接收方的信息。然而对于 UDP 而言，由于 UDP 是无连接的，UDP Socket 存储的是一个 (源 IP, 源 Port) 的二元组。应用进程每次发送报文都必须提供目标主机的 IP + Port 对。
- 如何利用传输层提供的服务实现进程之间的报文交换
解决方法：制定 应用层协议（Application-Layer Protocol），其定义了运行在不同操作系统上的应用应该如何传递报文。具体而言：
- 交换的报文类型
- 报文类型的语法
- 字段的语义
- 进程发送报文的时间与方式与收到报文后相应的规则。
应用协议分为公开的协议与专有的协议。
传输层提供的服务
传输层协议向应用层应用提供的服务一般通过如下四个指标来衡量：可靠性、吞吐量、定时、安全性。
- 可靠性：能否容忍数据的丢失、错误或乱序
- 吞吐量：对发送数据的速率的要求
- 定时：对数据发送延时的要求
- 安全性：数据的机密性、完整性与可认证性
常见应用对传输服务的要求如下：
目前传输层提供的服务按照选择的传输层协议分为 TCP 服务与 UDP 服务两种：
TCP 服务是 可靠的、面向连接 的传输服务。其有 流量控制、拥塞控制 服务。然而传输延迟相对较高，无法保证最小吞吐量与安全性。
UDP 服务是 不可靠的、无连接 的传输服务，没有流量控制、拥塞控制、时间、吞吐量、安全性保证。然而它相较于 TCP 更为轻量化，传输数据的速度相对而言更快。
目前常见应用使用的应用层协议与传输协议如下：
由于 TCP 与 UDP 都是明文传输的数据，为保证安全性，又有了诸如 SSL 与TCL 这些作用于应用层与传输层之间的对数据进行安全加密的协议。