Netzwerkanwendungen und -dienste

Netzwerkanwendungen und -dienste sind die Programme und Protokolle, die am Rande des Netzwerks ausgeführt werden und den Benutzern einen Mehrwert bieten – vom Web und E-Mail bis zum Domain Name System und Content Delivery Networks – aufgebaut auf den darunter liegenden Transportdiensten.

Definition

Die Anwendungsschicht ist die oberste Protokollschicht, in der vernetzte Anwendungsprozesse Nachrichten gemäß anwendungsspezifischen Protokollen austauschen; Netzwerkdienste sind die unterstützende Infrastruktur, wie z. B. Namensgebung und Inhaltsbereitstellung, von denen diese Anwendungen abhängen.

Scope

Dieser Bereich umfasst die Anwendungsschicht und die sie unterstützenden Infrastrukturdienste: Anwendungsarchitekturen (Client-Server und Peer-to-Peer), zentrale Anwendungsprotokolle wie HTTP, SMTP und FTP, das Domain Name System, das menschenlesbare Namen Adressen zuordnet, Content Delivery Networks, die Inhalte in der Nähe der Benutzer replizieren, und einen Überblick über die Netzwerksicherheit, soweit sie für kommunizierende Systeme relevant ist. Er schließt die Transportmechanismen, auf die er sich stützt, aus und konzentriert sich stattdessen auf die Dienste, die Anwendungen bereitstellen, und die Protokolle, die sie sprechen.

Sub-topics

• Anwendungsschichtprotokolle
• Inhaltsverteilung und CDNs
• Domain Name System
• Netzwerksicherheit (Computernetzwerke)

Core questions

• Wie sind Netzwerkanwendungen strukturiert – Client-Server versus Peer-to-Peer – und welche Kompromisse sind damit verbunden?
• Wie definieren zentrale Anwendungsprotokolle wie HTTP und SMTP Nachrichtenformate und Interaktionen?
• Wie übersetzt das Domain Name System Namen in Adressen auf skalierbare, verteilte Weise?
• Wie reduzieren Content Delivery Networks Latenz und Last, indem sie Inhalte in der Nähe der Benutzer replizieren?
• Welche Sicherheitseigenschaften – Vertraulichkeit, Integrität, Authentifizierung – müssen vernetzte Anwendungen bereitstellen und wie?

Key concepts

• Client-Server-Architektur
• Peer-to-Peer-Architektur
• HTTP und das Web
• E-Mail-Protokolle (SMTP, IMAP)
• Domain Name System (DNS)
• DNS-Caching und Hierarchie
• Content Delivery Networks (CDNs)
• Sockets und Anwendungs-APIs
• Vertraulichkeit, Integrität und Authentifizierung
• Transport Layer Security (TLS)

Key theories

Client-Server- und Peer-to-Peer-Architekturen

Anwendungen sind entweder um ständig verfügbare Server organisiert, die von Clients kontaktiert werden, was die Verwaltung zentralisiert, aber die Last konzentriert, oder als Peer-to-Peer-Systeme, bei denen teilnehmende Hosts sowohl anfragen als auch bereitstellen, was mit der Benutzerpopulation skaliert, aber die Verwaltung und Sicherheit erschwert.

Hierarchische, verteilte Namensauflösung (DNS)

Das Domain Name System löst Namen in Adressen über eine Hierarchie delegierter autoritativer Server und aggressives Caching auf und bietet einen skalierbaren, widerstandsfähigen Nachschlagedienst, den keine einzelne Organisation durchgängig kontrolliert.

Inhaltsreplikation und -verteilung

Content Delivery Networks platzieren Kopien von Inhalten auf Servern in der Nähe der Benutzer und leiten jede Anfrage an eine geeignete Replik weiter, wodurch Latenz, Origin-Server-Last und Backbone-Verkehr reduziert werden – ein Hauptgrund, warum große Web- und Streaming-Dienste gut funktionieren.

Clinical relevance

Die Anwendungsschicht ist das, was Benutzer tatsächlich erleben: Das Web, Streaming-Medien, Messaging und Cloud-Dienste sind hier angesiedelt. DNS ist eine kritische Abhängigkeit für fast jede Online-Interaktion, und Ausfälle darin können weitreichende Kaskadeneffekte haben. Content Delivery Networks tragen einen großen Teil des Internetverkehrs und sind zentral für die Bereitstellung von Video und Software in großem Maßstab, während die Sicherheit auf Anwendungsebene über TLS die Vertraulichkeit und Integrität der täglichen Kommunikation schützt.

History

Frühe Internetanwendungen waren E-Mail und Dateitransfer; das World Wide Web, um 1990 von Tim Berners-Lee mit HTTP und HTML erfunden, verwandelte das Internet in ein Massenmedium. Das Domain Name System (Mockapetris, Mitte der 1980er Jahre) ersetzte eine flache Hostnamen-Datei durch ein skalierbares verteiltes Verzeichnis. Content Delivery Networks entstanden Ende der 1990er Jahre, um dem Web-Wachstum gerecht zu werden, und die Verschlüsselung auf Anwendungsebene entwickelte sich von SSL zu TLS, um Kommunikationen zu sichern.

Debates

Zentralisierte Client-Server-Cloud-Dienste versus dezentrale Peer-to-Peer-Systeme

Zentralisierte Cloud-Architekturen bieten Verwaltbarkeit und konsistente Leistung, konzentrieren aber die Kontrolle und schaffen Single Points of Failure, während Peer-to-Peer- und dezentrale Designs Last und Kontrolle auf Kosten der Komplexität verteilen; dieses Gleichgewicht wiederholt sich bei Dateifreigabe, Inhaltsbereitstellung und aufkommenden dezentralen Web-Bemühungen.

Key figures

• Tim Berners-Lee
• Paul Mockapetris
• Roy Fielding
• Jon Postel

Seminal works

• kurose2021
• rfc9110
• rfc1035

Frequently asked questions

Was leistet das Domain Name System?

DNS übersetzt menschenfreundliche Namen wie example.com in die IP-Adressen, die die Netzwerkschicht zum Routen von Paketen benötigt. Es ist eine verteilte, hierarchische Datenbank mit Caching, sodass Suchvorgänge schnell sind und das System auf das gesamte Internet skaliert, ohne dass ein einzelner Server alle Namen enthält.

Wie beschleunigt ein Content Delivery Network das Web?

Ein CDN speichert Kopien von Inhalten auf vielen Servern, die über die ganze Welt verteilt sind, und leitet die Anfrage jedes Benutzers an eine nahegelegene Kopie. Dies verkürzt den Netzwerkpfad, reduziert Latenz und Paketverlust und entlastet gleichzeitig den Ursprungsserver und reduziert den Langstreckenverkehr, was zusammen die Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit verbessert.