计算机网络笔记(二十九)——5.1运输层协议概述

5.1.1进程之间的通信

一、进程间通信（IPC）的核心概念

进程 是操作系统资源分配和调度的基本单位。每个进程有独立的地址空间，进程间通信（IPC） 是不同进程之间交换数据和信息的方式。通信需要跨越进程地址空间的隔离，通常由操作系统（内核）提供的机制实现。

二、进程间通信的常见方式

以下是 5 种典型的 IPC 机制：

1. 管道（Pipe）

• 原理：单工通信（单向），基于内存缓冲区，数据以字节流形式传输。

• 分类：

  • 匿名管道：仅用于父子进程或兄弟进程间通信。
  • 命名管道（FIFO）：任意进程可通过文件系统中的命名文件访问。

• 流程图：
  

• 特点：

  • 简单但容量有限（默认 64KB）。
  • 匿名管道只能在有亲缘关系的进程间使用。
  • 命名管道通过文件路径访问。

2. 消息队列（Message Queue）

• 原理：内核维护的消息链表，允许发送结构化的消息。

• 关键步骤：

  1. 创建消息队列（msgget）。
  2. 发送消息（msgsnd）。
  3. 接收消息（msgrcv）。

• 流程图：
  

• 特点：

  • 支持不同进程间通信。
  • 消息类型可选择性地接收。
  • 开销较大（需内核介入）。

3. 共享内存（Shared Memory）

• 原理：多个进程映射同一块物理内存到各自的地址空间，直接读写。

• 步骤：

  1. 创建共享内存段（shmget）。
  2. 映射到进程地址空间（shmat）。
  3. 读写共享内存后分离（shmdt）。

• 流程图：
  

• 特点：

  • 最快的 IPC 方式（无需数据拷贝）。
  • 需配合信号量等同步机制避免冲突。

4. 信号量（Semaphore）

• 原理：整型计数器，提供进程同步机制（P/V 操作保证临界区互斥）。

• 典型用途：

  • 共享资源访问的互斥。
  • 线程/进程同步。

• 操作：

  sem_wait(sem);   // P: sem -= 1（若 sem < 0 则阻塞）
  sem_post(sem);   // V: sem += 1（唤醒等待进程）
  

5. Socket（套接字）

• 原理：跨网络或本机的全双工通信端点，支持 TCP/UDP。

• 步骤（以 TCP 为例）：

  1. 服务器调用 socket() 创建套接字。
  2. bind() 绑定 IP 和端口。
  3. listen() 监听请求。
  4. 客户端 connect() 连接服务器。
  5. 通过 read()/write() 通信。

• 流程图：
  

• 特点：

  • 支持跨网络通信。
  • TCP 保证可靠性，UDP 提供低延迟。

三、关键对比与适用场景

机制	适用场景	优点	缺点
管道	父子进程简单通信	简单、轻量	单向、容量有限
消息队列	异步或结构化数据传递	灵活、不依赖进程关系	内核操作有开销
共享内存	高频数据交换（如视频处理）	高速、无数据拷贝	需同步机制（如信号量）
信号量	共享资源的互斥/同步	高效解决同步问题	不直接传递数据
Socket	跨网络或本机进程通信	支持分布式场景	协议复杂、开销较大

四、总结

• 选择原则：
  • 同设备进程优先用共享内存或消息队列。
  • 跨网络必须使用 Socket。
  • 简单任务可用管道或信号。
• 演进趋势：基于共享内存的机制（如 RDMA）在高性能计算中愈发重要。

5.1.2运输层的两个主要协议

运输层的核心功能是为应用进程提供端到端的逻辑通信。在互联网中，两种主要的运输层协议是 TCP（传输控制协议） 和 UDP（用户数据报协议）。它们的区别主要体现在连接方式、可靠性、流量控制等方面。

1. TCP（Transmission Control Protocol）

核心特性

• 面向连接：通信前需通过“三次握手”建立连接，通信后需“四次挥手”释放连接。
• 可靠传输：通过确认应答、超时重传、序列号/确认号机制保证数据无丢失、无重复、按序到达。
• 流量控制：接收方通过滑动窗口动态调整发送速率，防止数据淹没接收缓冲区。
• 拥塞控制：通过慢启动、拥塞避免、快速重传、快速恢复等算法避免网络过载。
• 全双工通信：通信双方可同时发送和接收数据。

首部格式

TCP 首部较复杂，包含 20 字节固定部分+可选字段：

 0                   1                   2                   3  0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1  
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+  
|          Source Port          |       Destination Port        |  
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+  
|                        Sequence Number                        |  
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+  
|                    Acknowledgment Number                      |  
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+  
|  Data |           |U|A|P|R|S|F|                               |  
| Offset| Reserved  |R|C|S|S|Y|I|            Window             |  
|       |           |G|K|H|T|N|N|                               |  
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+  
|           Checksum            |         Urgent Pointer        |  
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+  
|                    Options (可选)                       | Padding |  
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+  

适用场景

• 需可靠传输：HTTP、FTP、SMTP 等。
• 大数据量传输：文件下载、邮件发送。
• 需流量/拥塞控制：防止网络阻塞。

流程图示例（TCP三次握手与四次挥手）

2. UDP（User Datagram Protocol）

核心特性

• 无连接：通信前无需建立连接，直接发送数据。
• 尽力而为交付：不保证数据可靠性（可能丢失、乱序、重复）。
• 简单高效：首部仅 8 字节，无流量/拥塞控制，适用于低延迟场景。
• 支持多播/广播：支持一对多、多对多通信模式。

首部格式

UDP 首部简洁，仅包含 8 字节：

 0                   1                   2                   3  0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1  
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+  
|          Source Port          |       Destination Port        |  
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+  
|            Length             |           Checksum            |  
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+  
|                        Data (可变长度)                        |  
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+  

适用场景

• 实时性要求高：视频会议（如 Zoom）、实时游戏（如王者荣耀）。
• 简单查询/响应：DNS 域名解析、SNMP 网络管理。
• 多播/广播应用：IPTV 直播、局域网广播。

流程图（UDP数据传输）

3. TCP vs UDP 对比总结

特性	TCP	UDP
连接方式	面向连接（三次握手）	无连接
可靠性	可靠传输（确认应答、重传机制）	尽力而为交付（不保证可靠）
流量控制	滑动窗口动态调整	无
拥塞控制	慢启动、拥塞避免等复杂算法	无
首部大小	20~60 字节	8 字节
传输效率	低（需额外开销）	高（几乎无额外开销）
典型应用	HTTP、FTP、SSH	DNS、实时音视频、在线游戏

5.1.3运输层的接口

运输层的接口是网络协议栈中连接应用程序与网络通信的重要环节，主要通过套接字（Socket）实现进程间端到端的通信。

一、运输层接口的核心功能

1. 进程间通信
   运输层通过套接字为应用进程提供逻辑通信通道，隐藏底层网络细节。

2. 端口管理

   • 每个应用进程通过端口号唯一标识。
   • 端口范围：
     • 周知端口（0-1023）：预留给常用服务（如HTTP-80、FTP-21）。
     • 注册端口（1024-49151）：用户程序可申请使用。
     • 动态端口（49152-65535）：临时分配给客户端应用。

3. 协议支持

   • TCP：面向连接，提供可靠传输、流量控制、拥塞控制。
   • UDP：无连接，提供高效但不可靠的传输。

二、运输层接口的关键操作

1. 套接字（Socket）API

应用程序通过以下系统调用与运输层交互：

函数	作用
socket()	创建套接字，指定协议（TCP/UDP）
bind()	绑定套接字到特定IP和端口
listen()	（TCP）服务器开启监听连接请求
accept()	（TCP）接受客户端连接请求
connect()	（TCP）客户端发起连接
send()/recv()	发送/接收数据
close()	关闭套接字

2. 多路复用与多路分解

• 多路复用（Multiplexing）
  将多个应用进程的数据封装为报文段，添加目标端口/IP。
• 多路分解（Demultiplexing）
  根据报文段头部信息（端口/IP）分发给正确进程。

三、TCP与UDP的接口差异

特性	TCP	UDP
连接类型	面向连接（需三次握手）	无连接
可靠性	可靠（确认、重传、排序）	不可靠
流量控制	滑动窗口机制	无流量控制
拥塞控制	慢启动、拥塞避免等策略	无拥塞控制

四、运输层接口流程图

以下是TCP通信的接口流程示例：

五、关键机制详解

1. 可靠传输（TCP）

   • 序列号与确认号：确保数据有序到达。
   • 超时重传：丢失报文自动重发。
   • 滑动窗口：动态调整发送速率以匹配接收方处理能力。

2. 流量控制与拥塞控制

   • 接收窗口（RWND）：通知发送方可接收的数据量。
   • 拥塞窗口（CWND）：根据网络状况动态调整，避免拥塞崩溃。

六、常见问题

1. 端口冲突如何处理？
   若端口已被占用，bind()系统调用会返回错误，需选择其他端口。
2. 如何应对UDP丢包？
   需在应用层实现确认机制（如QUIC协议在用户空间实现可靠性）。