我們已經(jīng)講解了物理層谣拣、連接層和網(wǎng)絡層撬讽。最開始的連接層協(xié)議種類繁多(Ethernet、Wifi缎脾、ARP等等)祝闻。到了網(wǎng)絡層，我們只剩下一個IP協(xié)議(IPv4和IPv6是替代關(guān)系)遗菠。進入到傳輸層(transport layer)联喘，協(xié)議的種類又開始繁多起來(比如TCP华蜒、UDP、SCTP等)豁遭。這就好像下面的大樹叭喜，根部(連接層)分叉很多，然后統(tǒng)一到一個樹干(網(wǎng)絡層)堤框，到了樹冠(傳輸層)部分又開始開始分叉域滥，而每個樹枝上長出更多的樹葉(應用層)。我們在網(wǎng)絡層已經(jīng)看到蜈抓，通過樹干的統(tǒng)一启绰，我們實現(xiàn)了一個覆蓋全球的互聯(lián)網(wǎng)絡(Internet)。然而沟使，我們可能出于不同的目的利用這張“網(wǎng)”委可，隨之使用的方式也有所區(qū)分。不同的傳輸層協(xié)議(以及更多的應用層協(xié)議)正是我們使用“網(wǎng)”的不同方式的體現(xiàn)腊嗡。
網(wǎng)絡分層的“藝術(shù)”觀點
傳輸層最重要的協(xié)議為TCP協(xié)議和UDP協(xié)議着倾。這兩者使用“網(wǎng)”的方式走了兩個極端。兩個協(xié)議的對比非常有趣燕少。TCP協(xié)議復雜卡者，但傳輸可靠。UDP協(xié)議簡單客们，但傳輸不可靠崇决。其他的各個傳輸層協(xié)議在某種程度上都是這兩個協(xié)議的折中。我們先來看傳輸層協(xié)議中比較簡單的UDP協(xié)議底挫。我們將參考許多之前文章的內(nèi)容(協(xié)議森林01,03,05)恒傻。
UDP協(xié)議簡介
UDP(User Datagram Protocol)傳輸與IP傳輸非常類似。你可以將UDP協(xié)議看作IP協(xié)議暴露在傳輸層的一個接口建邓。UDP協(xié)議同樣以數(shù)據(jù)包(datagram)的方式傳輸盈厘，它的傳輸方式也是“Best Effort”的，所以UDP協(xié)議也是不可靠的(unreliable)官边。那么沸手，我們?yōu)槭裁床恢苯邮褂肐P協(xié)議而要額外增加一個UDP協(xié)議呢？ 一個重要的原因是IP協(xié)議中并沒有端口(port)的概念注簿。IP協(xié)議進行的是IP地址到IP地址的傳輸罐氨，這意味者兩臺計算機之間的對話。但每臺計算機中需要有多個通信通道滩援，并將多個通信通道分配給不同的進程使用。一個端口就代表了這樣的一個通信通道塔嬉。正如我們在網(wǎng)絡協(xié)議概覽中提到的收信人的概念一樣玩徊。UDP協(xié)議實現(xiàn)了端口租悄，從而讓數(shù)據(jù)包可以在送到IP地址的基礎上，進一步可以送到某個端口恩袱。
UDP：依然不是那么“可靠”
盡管UDP協(xié)議非常簡單泣棋，但它的產(chǎn)生晚于更加復雜的TCP協(xié)議。早期的網(wǎng)絡開發(fā)者開發(fā)出IP協(xié)議和TCP協(xié)議分別位于網(wǎng)絡層和傳輸層畔塔，所有的通信都要先經(jīng)過TCP封裝潭辈，再經(jīng)過IP封裝(應用層->TCP->IP)。開發(fā)者將TCP/IP視為相互合作的套裝澈吨。但很快把敢，網(wǎng)絡開發(fā)者發(fā)現(xiàn)，IP協(xié)議的功能和TCP協(xié)議的功能是相互獨立的谅辣。對于一些簡單的通信修赞，我們只需要“Best Effort”式的IP傳輸就可以了，而不需要TCP協(xié)議復雜的建立連接的方式(特別是在早期網(wǎng)絡環(huán)境中桑阶，如果過多的建立TCP連接柏副，會造成很大的網(wǎng)絡負擔，而UDP協(xié)議可以相對快速的處理這些簡單通信)蚣录。UDP協(xié)議隨之被開發(fā)出來割择，作為IP協(xié)議在傳輸層的“傀儡”。這樣萎河，網(wǎng)絡通信可以通過應用層->UDP->IP的封裝方式荔泳，繞過TCP協(xié)議。由于UDP協(xié)議本身異常簡單公壤，實際上只為IP傳輸起到了橋梁的作用换可。我們將在TCP協(xié)議的講解中看到更多TCP協(xié)議和UDP協(xié)議的對比。
IP和他的傀儡UDP
UDP的數(shù)據(jù)包同樣分為頭部(header)和數(shù)據(jù)(payload)兩部分厦幅。UDP是傳輸層(transport layer)協(xié)議沾鳄，這意味著UDP的數(shù)據(jù)包需要經(jīng)過IP協(xié)議的封裝(encapsulation)，然后通過IP協(xié)議傳輸到目的電腦确憨。隨后UDP包在目的電腦拆封译荞，并將信息送到相應端口的緩存中。
UDP協(xié)議的頭部
上面的source port和destination port分別為UDP包的出發(fā)端口和目的地端口休弃。Length為整個UDP包的長度吞歼。
checksum的算法與IP協(xié)議的header checksum算法相類似。然而塔猾，UDP的checksum所校驗的序列包括了整個UDP數(shù)據(jù)包篙骡，以及封裝的IP頭部的一些信息(主要為出發(fā)地IP和目的地IP)。這樣，checksum就可以校驗IP：端口的正確性了糯俗。在IPv4中尿褪，checksum可以為0，意味著不使用checksum得湘。IPv6要求必須進行checksum校驗杖玲。
端口與socket
端口(port)是伴隨著傳輸層誕生的概念。它可以將網(wǎng)絡層的IP通信分送到各個通信通道淘正。UDP協(xié)議和TCP協(xié)議盡管在工作方式上有很大的不同摆马，但它們都建立了從一個端口到另一個端口的通信。
IP：端口
隨著我們進入傳輸層鸿吆，我們也可以調(diào)用操作系統(tǒng)中的API囤采，來構(gòu)建socket。Socket是操作系統(tǒng)提供的一個編程接口伞剑，它用來代表某個網(wǎng)絡通信斑唬。應用程序通過socket來調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)核中處理網(wǎng)絡協(xié)議的模塊，而這些內(nèi)核模塊會負責具體的網(wǎng)絡協(xié)議的實施黎泣。這樣恕刘，我們可以讓內(nèi)核來接收網(wǎng)絡協(xié)議的細節(jié)，而我們只需要提供所要傳輸?shù)膬?nèi)容就可以了抒倚，內(nèi)核會幫我們控制格式褐着，并進一步向底層封裝。因此托呕，在實際應用中含蓉，我們并不需要知道具體怎么構(gòu)成一個UDP包，而只需要提供相關(guān)信息(比如IP地址项郊，比如端口號馅扣，比如所要傳輸?shù)男畔?，操作系統(tǒng)內(nèi)核會在傳輸之前會根據(jù)我們提供的相關(guān)信息構(gòu)成一個合格的UDP包(以及下層的包和幀)着降。socket是一個比較大的課題差油，在協(xié)議森林系列中不會過多深入。
總結(jié)
端口是傳輸層帶來的最重要的概念任洞。我們進一步了解了UDP協(xié)議蓄喇。如果已經(jīng)掌握了IP協(xié)議，那么UDP協(xié)議就沒有任何困難可言交掏，它只是IP協(xié)議暴露在傳輸層上的接口妆偏。
代碼講解詳見：UDP程序設計。
【TCP/IP詳解】系列教程
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