[计网]TCP/UDP 多路复用/分用
一、解析
1.1 应用层、运输层以及网络层的关系
网络层是五层结构中的第三层，它的作用就是提供端到端的（主机之间）的通信；而运输层属于第四层，它的作用是提供进程间的通信。应用层则是最顶层，作用是提供为用户提供与网络打交道的接口
应用层与运输层之间通过套接字进行数据传递数据，套接字是运输层与应用层的一个中间媒介，位于两层之间。运输层接收到数据后，将它交付到正确的套接字中，应用层进程从相应的套接字中获取数据；反之应用层将数据交付到套接字，运输层从套接字中收集数据。而网络层接受其他主机发送的数据，去除首部信息后交给运输层，由运输层定向到套接字；反之运输层也将从套接字中收集的数据封装后，交给网络层向下传递。
1.2 什么是多路复用与多路分解
通过类比来理解这两个概念：假设两个家庭A和B，各有10名家庭成员。假设这两个家庭的每一个成员，在每个星期都要给另一个家庭的10名成员各写一封信，所以A家庭每星期都有100封信送到B家庭，B家庭亦是如此。A家庭和B家庭各选出了一个负责人来处理这件事，假设A家庭的负责人是李明，而B家庭的负责人是韩梅梅，这两个人每个星期需要干两件事：
- 收集每个家庭成员写的信，并将它交给邮差，由邮差将信交到另一个家庭中
- 邮差将信寄到家来时，负责人统一接收，并根据信上的收件人姓名，将信交给指定的家庭成员；
多路复用的过程就好比负责人要办的事情1，而多路分解就好比事情2。下面两个名次的解释：
多路复用：在数据的发送端，传输层收集各个套接字中需要发送的数据，将它们封装上首部信息（之后用于分解），交给网络层
多路分解：在数据的接收端，传输层接收到网络层的报文后，并将它交付到正确的套接字上
家庭成员就好比套接字，而这两个负责人就好比主机中的运输层，邮差可以理解为网络层。负责人将寄来的信息发给家庭成员的过程，类似于运输层将数据报分发给指定的套接字；而邮差从一个家庭到另一个家庭的过程也可以类比为网络层主机之间的通信。
那这两个过程具体如何工作呢？每个进程可以由多个套接字，运输层如何知道要将数据交付给哪一个套接字呢？这里我们需要明确复用/分解的要求：
1.每个套接字都有唯一标识
2.每一个传递到运输层的报文段，都包含一些特殊字段，来指明它交付到的套接字；
对于每一个套接字，都能被分配一个的端口号。所以，上述要求2中所说的特殊字段就是源端口号字段（对于TCP和UDP，这个还有一些其他特殊字段）。所以我们知道运输层如何实现分解服务了：当一个报文段到达运输层时，运输层检测报文段中的端口号，根据端口号，将其定向到指定的套接字中，然后数据将通过套接字即可进入套接字对应的进程。
1.3 无连接的多路复用和多路分解
上面只是讲解了一下这两个概念的一般形式，但是在具体的实现中要稍微复杂一些，不同协议所使用的套接字也有所区别，下面我们来看看UDP协议中的多路分解与多路复用。
我们知道，UDP是一个面向无连接，不可靠的运输层协议，它尽最大努力传输数据，但是不保证数据是否到达，或者是否按顺序到达，它要做的仅仅是将数据发出，至于发出后如何，它不会在意。
当进程需要发送UDP数据报时，首先要创建一个UDP套接字，然后应用层通过这个UDP套接字将数据传递到运输层，运输层为数据加上源端口号以及目的端口号，封装成数据报后交给网络层，网络层再为数据报封装上源IP以及目的IP。由于UDP协议仅仅只是将数据发出，所以对于UDP报文来说，最重要的就是目的地址的所在。可能正是因为这个原因，一个UDP套接字的标识就是目的IP+目的端口号。因此对于多个不同的UDP数据报，只要它们的目的IP+端口号相同，就算源地址不同，也会在目的主机中被定向到同一个UDP套接字中，被同一个进程所接收。目的IP决定了数据报将要发送到哪台主机，而目的端口号为运输层的的分解提供了标识。
这里可能就会有些疑问了，既然这样，那UDP报文为什么需要包含源IP+源端口号呢（IP在网络层被封装）？这是因为UDP是无连接的，当接收到一个UDP报文时，可能想要回送一个报文，这时候不知道源在何处将无法实现。所以当需要向源主机回复报文时，只需提取UDP报文中的源IP和源端口号，然后将它们作为目的IP+目的端口号即可实现。
上面只是讲解了一下这两个概念的一般形式，但是在具体的实现中要稍微复杂一些，不同协议所使用的套接字也有所区别，下面我们来看看UDP协议中的多路分解与多路复用。
我们知道，UDP是一个面向无连接，不可靠的运输层协议，它尽最大努力传输数据，但是不保证数据是否到达，或者是否按顺序到达，它要做的仅仅是将数据发出，至于发出后如何，它不会在意。
当进程需要发送UDP数据报时，首先要创建一个UDP套接字，然后应用层通过这个UDP套接字将数据传递到运输层，运输层为数据加上源端口号以及目的端口号，封装成数据报后交给网络层，网络层再为数据报封装上源IP以及目的IP。由于UDP协议仅仅只是将数据发出，所以对于UDP报文来说，最重要的就是目的地址的所在。可能正是因为这个原因，一个UDP套接字的标识就是目的IP+目的端口号。因此对于多个不同的UDP数据报，只要它们的目的IP+端口号相同，就算源地址不同，也会在目的主机中被定向到同一个UDP套接字中，被同一个进程所接收。目的IP决定了数据报将要发送到哪台主机，而目的端口号为运输层的的分解提供了标识。
这里可能就会有些疑问了，既然这样，那UDP报文为什么需要包含源IP+源端口号呢（IP在网络层被封装）？这是因为UDP是无连接的，当接收到一个UDP报文时，可能想要回送一个报文，这时候不知道源在何处将无法实现。所以当需要向源主机回复报文时，只需提取UDP报文中的源IP和源端口号，然后将它们作为目的IP+目的端口号即可实现。
1.4 面向连接的多路复用与多路分解
既然有无连接的实现，自然就有连接的实现。运输层乃至整个计算机网络最著名的协议——TCP协议，就是一个面向连接的协议。TCP是一个面向连接，可靠的运输层协议。既然面向连接，那它就需要关注两个方面：源地址和目的地址，因为TCP的传输，需要两边协作完成。正因为TCP的特性，导致TCP的套接字和UDP也有所区别。TCP套接字的标识是一个四元组，即源IP+源端口+目的IP+目的端口（UDP是目的IP+目的端口）。我们通过一个实例来讲解TCP的多路复用/分解过程。
大部分人使用最多的应用层协议应该就是HTTP协议，而它就是基于TCP协议实现的，当我们在浏览器中请求一个页面时，将经历以下过程：
Web服务器监听80端口，等待客户端的连接；- 用户在浏览器输入一个
URL，回车后，浏览器进程创建一个套接字，此套接字由服务器IP，服务器80端口，本地IP，本地进程端口，四部分标识； - 浏览器进程将数据通过此套接字从应用层传入运输层，运输层为
TCP报文加上首部（包括源端口和目的端口）后，交给网络层，网络层为其加上网络层首部（包括源IP和目的IP）传输传输到Web服务器； Web服务器的接收到此数据报后，检测到数据报请求的是端口80，于是检测80端口正在运行，且允许连接，则创建一个新的套接字，此套接字由服务器IP，服务器80端口，源IP，源端口，这四部分标识；- 此后到达的
Web服务器的数据报，若以上四部分完全相等，则将进入此套接字中；
既然TCP套接字是由源IP+源端口+目的IP+目的端口四部分标识，不难想到，我们无法在同一台主机上，依靠同一个端口，向服务器的某个一个端口建立两个TCP连接，因为这样将无法区分两个连接。以下通过Java进行测试：
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 建立第一个TCP连接，结果正常
Socket socket1 = new Socket("www.baidu.com", 80, null, 8888);
// 建立第二个连接，与上一个连接的目的IP，目的端口，以及本地端口均相同
// 结果抛出异常：
// java.net.BindException: Address already in use: JVM_Bind
Socket socket2 = new Socket("www.baidu.com", 80, null, 8888);
}
以上代码执行时抛出异常，提示地址已经被使用，但是修改第二个socket对象的本地端口后，异常消失，验证了上面的结论。
