一不小心画了 24 张图剖析计网应用层协议! (2)

通过一个实例来简单类比一下套接字和网络进程:进程可类比一座房子,而它的套接字相当于是房子的门,当一个进程想要与其他进程进行通信时,它会把报文推出门外,然后通过运输设备把报文运输到另外一座房子,通过门进入房子内部使用。

下图是一个通过套接字进行通信的流程图

BTPePO.png

从图可以看到,Socket 属于主机或者服务进程的内部接口,由应用程序开发人员进行控制,两台端系统之间进行通信会通过 TCP 的缓冲区经由网络传输到另一个端系统的 TCP 缓冲区,Socket 从 TCP 缓冲区读取报文供应用程序内部使用。

套接字是建立网络应用程序的可编程接口,因此套接字也被称为应用程序和网络之间的 应用程序编程接口(Application Programming Interface,API)。应用程序开发人员可以控制套接字内部细节,但是无法控制运输层的传输,只能对运输层的传输协议进行选择,还可以对运输层的传输参数进行选择,比如最大缓存和最大报文长度等。

进程寻址

我们上面提到网络应用程序之间会相互发送报文,那么你怎么知道你应该向哪里发送报文呢?是不是存在某种机制能够让你知道你能够发到哪里?这就好比你要发送电子邮件,你写好了内容但是你不知道发发往哪里,所以这个时候必须要有一种知道对方地址的机制,这种机制能够辨明对方唯一的一个地址,这种地址就是 IP地址。我们会在后面的文章中详细讨论 IP 地址的内容,目前只需要知道 IP 是一个 32 比特的量并且能够唯一标示互联网中任意一台主机的地址就可以了。

只知道 IP 地址是否就可以了呢?我们知道一台计算机可能回运行多个网络应用程序,那么如何确定是哪个网络应用程序接受发送过来的报文呢?所以这时候还需要知道网络应用程序的 端口号(port number)。例如, Web 应用程序需要用 80 端口来标示,邮件服务器程序需要使用 25 来标示。

应用程序如何选择运输服务

我们知道应用程序是属于互联网四层协议的 应用层 协议,并且四层协议必须彼此协助共同完成工作。好了,这时候我们只有应用层协议,我们需要发送报文,我们如何发送报文呢?这就好比你知道目的地是哪里了,你该如何到达目的地呢?是走路,公交,地铁还是打车?

应用程序发送报文的交通工具的选择也有很多,我们可以从 数据传输是否可靠、吞吐量、定时和安全性 来考虑,下面是你需要考虑的具体内容。

数据传输是否可靠

我们之前探讨过,分组在计算机网络中会存在丢包问题,丢包问题的严重性跟网络应用程序的性质有关,如果像是电子邮件、文件传输、远程主机、Web 文档传输的过程中出现问题,数据丢失可能会造成非常严重的后果。如果像是网络游戏,多人视频会议造成的影响可能比较小。鉴于此,数据传输的可靠性也是首先需要考虑的问题。因此,如果一个协议提供了这样的确保数据交付的服务,就认为提供了 可靠数据传输(reliable data transfer),能够忍受数据丢失的应用被称为 容忍丢失的应用(loss-tolerant application)。

吞吐量

在之前的文章中我们引入了吞吐量的概念,吞吐量就是在网络应用中数据传输过程中,发送进程能够向接收进程交付比特的速率。具有吞吐量要求的应用程序被称为 带宽敏感的应用(bandwidth-sensitive application)。带宽敏感的应用具有特定的吞吐量要求,而 弹性应用(elastic application) 能够根据当时可用的带宽或多或少地利用可供使用的吞吐量。

定时

定时是什么意思?定时能够确保网络中两个应用程序的收发是否能够在指定的时间内完成,这也是应用程序选择运输服务需要考虑的一个因素,这听起来很自然,你网络应用发送和接收数据包肯定要加以时间的概念,比如在游戏中,你一包数据迟迟发送不过去,对面都推塔了你还卡在半路上呢。

安全性

最后,选择运输协议一定要能够为应用程序提供一种或多种安全性服务。

因特网能够提供的运输服务

说完运输服务的选型,接下来该聊一聊因特网能够提供哪些服务了。实际上,因特网为应用程序提供了两种运输层的协议,即 UDP 和 TCP,下面是一些网络应用的选择要求,可以根据需要来选择适合的运输层协议。

应用 数据丢失 带宽 时间敏感
文件传输   不能丢失   弹性   不敏感  
电子邮件   不能丢失   弹性   不敏感  
Web 文档   不能丢失   弹性   不敏感  
因特网电话/视频会议   容忍丢失   弹性   敏感,100ms  
流式存储音频/视频   容忍丢失   弹性   敏感,几秒  
交互式游戏   容忍丢失   弹性   是,100ms  
智能手机消息   不能丢失   弹性   无所谓  

下面我们就来聊一聊这两种运输协议的应用场景

TCP

TCP 服务模型的特性主要有下面几种

面向连接的服务

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