計算機網路——多路複用與多路分解

一、前言
  最近在看《計算機網路——自頂向下方法》這本書，讀了一部分之後發現，這真是一本非常不錯的計算機網路入門書籍，想要學習計算機網路的人可以去買來看看。今天剛讀到運輸層這一章，開頭詳細講解了運輸層的多路複用與多路分解，我覺得頗有收穫，所以寫篇部落格分享一下這一部分內容。

二、解析
 2.1 應用層、運輸層以及網路層的關係
  想要解析多路複用與多路分解，首先得大致瞭解一下計算機五層結構中，應用層、運輸層與網路層的關係。

網路層是五層結構中的第三層，它的作用就是在網路中提供端到端（即主機之間）的邏輯通訊；而運輸層的是五層結構中的第四層，它的作用是提供程式之間的通訊。應用層則是最頂層，作用是為使用者提供與網路打交道的介面。

應用層與運輸層之間通過套接字傳遞資料，套接字是運輸層與應用層的一箇中間媒介，位於兩層之間。運輸層接收到資料後，將它交付到正確的套接字中，應用層程式從的相應的套接字中獲取資料；反之應用層將資料交付到套接字，運輸層從套接字中收集資料。而網路層接收其他主機傳送的資料，去除首部資訊後交給運輸層，由運輸層定向到套接字；反之運輸層也將從套接字中收集的資料封裝後，交給網路層向下傳遞。

2.2 什麼是多路複用與多路分解
  這裡通過一個類比來理解這兩個概念：假設有兩個家庭A和B，各有10名家庭成員。假設這兩個家庭中的每一個成員，在每個星期都要給另一個家庭的10成員各寫一封信，所以A家庭每個星期都要有100封信送到B家庭，B家庭亦是如此。A家庭和B家庭各選出了一個負責人來處理這件事，假設A家庭的負責人是李明，而B家庭的負責人是韓梅梅。這兩個負責人每個星期都需要幹兩件事情：

收集每個家庭成員寫的信，並將它交給郵差，由郵差將信交到另一個家庭中；
郵差將信寄到家來時，負責人統一接收，並根據信上的收件人姓名，將信交給指定的家庭成員；
  多路複用的過程就好比負責人的要辦事情1，而多路分解就好比事情2。下面來看這兩個名稱的解釋：

多路複用：在資料的傳送端，傳輸層收集各個套接字中需要傳送的資料，將它們封裝上首部資訊後（之後用於分解），交給網路層；
多路分解：在資料的接收端，傳輸層接收到網路層的報文後，將它交付到正確的套接字上；
  家庭成員就好比套接字，而這兩個負責人就好比主機中的運輸層，郵差可以理解為網路層。負責人將寄來的信分發給家庭成員的過程，類似於運輸層將資料包分發給指定的套接字；而郵差從一個家庭送信到另一個家庭，也可以類比為網路層中主機之間的通訊。

那這兩個過程具體是如何工作的呢？每個程式可以有多個套接字，運輸層如何知道要將資料交付給哪一個套接字呢？這裡我們需要明確複用/分解的要求：

每個套接字都有唯一標識；
每一個傳遞到運輸層的報文段，都包含一些特殊欄位，來指明它需要交付到的套接字；
  對於每一個套接字，都能被分配一個的埠號。所以，上述要求2中所說的特殊欄位就是源埠號欄位和目的埠號欄位（對於TCP和UDP，這個還有一些其他特殊欄位，將在後面講解）。所以我們知道運輸層如何實現分解服務了：當一個報文段到達運輸層時，運輸層檢測報文段中的埠號，根據埠號，將其定向到指定的套接字中。然後資料通過套接字即可進入套接字對應的程式。

2.3 無連線的多路分解與多路複用
  上面只是講解了一下這兩個概念的一般形式，但是在具體的實現中要稍微複雜一些，不同協議所使用的套接字也有所區別，下面我們來看看UDP協議中的多路分解與多路複用。

我們知道，UDP是一個面向無連線，不可靠的運輸層協議，它盡最大努力傳輸資料，但是不保證資料是否到達，或者是否按順序到達，它要做的僅僅是將資料發出，至於發出後如何，它不會在意。

當程式需要傳送UDP資料包時，首先要建立一個UDP套接字，然後應用層通過這個UDP套接字將資料傳遞到運輸層，運輸層為資料加上源埠號以及目的埠號，封裝成資料包後交給網路層，網路層再為資料包封裝上源IP以及目的IP。由於UDP協議僅僅只是將資料發出，所以對於UDP報文來說，最重要的就是目的地址的所在。可能正是因為這個原因，一個UDP套接字的標識就是目的IP+目的埠號。因此對於多個不同的UDP資料包，只要它們的目的IP+埠號相同，就算源地址不同，也會在目的主機中被定向到同一個UDP套接字中，被同一個程式所接收。目的IP決定了資料包將要傳送到哪臺主機，而目的埠號為運輸層的的分解提供了標識。

這裡可能就會有些疑問了，既然這樣，那UDP報文為什麼需要包含源IP+源埠號呢（IP在網路層被封裝）？這是因為UDP是無連線的，當接收到一個UDP報文時，可能想要回送一個報文，這時候不知道源在何處將無法實現。所以當需要向源主機回覆報文時，只需提取UDP報文中的源IP和源埠號，然後將它們作為目的IP+目的埠號即可實現。

2.4 面向連線的多路複用與多路分解
  既然有無連線的實現，自然就有連線的實現。運輸層乃至整個計算機網路最著名的協議——TCP協議，就是一個面向連線的協議。TCP是一個面向連線，可靠的運輸層協議。既然面向連線，那它就需要關注兩個方面：源地址和目的地址，因為TCP的傳輸，需要兩邊協作完成。正因為TCP的特性，導致TCP的套接字和UDP也有所區別。TCP套接字的標識是一個四元組，即源IP+源埠+目的IP+目的埠（UDP是目的IP+目的埠）。我們通過一個例項來講解TCP的多路複用/分解過程。

大部分人使用最多的應用層協議應該就是HTTP協議，而它就是基於TCP協議實現的，當我們在瀏覽器中請求一個頁面時，將經歷以下過程：

Web伺服器監聽80埠，等待客戶端的連線；
使用者在瀏覽器輸入一個URL，回車後，瀏覽器程式建立一個套接字，此套接字由伺服器IP，伺服器80埠，本地IP，本地程式埠，四部分標識；
瀏覽器程式將資料通過此套接字從應用層傳入運輸層，運輸層為TCP報文加上首部（包括源埠和目的埠）後，交給網路層，網路層為其加上網路層首部（包括源IP和目的IP）傳輸傳輸到Web伺服器；
Web伺服器的接收到此資料包後，檢測到資料包請求的是埠80，於是檢測80埠正在執行，且允許連線，則建立一個新的套接字，此套接字由伺服器IP，伺服器80埠，源IP，源埠，這四部分標識；
此後到達的Web伺服器的資料包，若以上四部分完全相等，則將進入此套接字中；
  既然TCP套接字是由源IP+源埠+目的IP+目的埠四部分標識，不難想到，我們無法在同一臺主機上，依靠同一個埠，向伺服器的某個一個埠建立兩個TCP連線，因為這樣將無法區分兩個連線。以下通過Java進行測試：

public static void main(String[] args) throws IOException {
    // 建立第一個TCP連線，結果正常
    Socket socket1 = new Socket("www.baidu.com", 80, null, 8888);

    // 建立第二個連線，與上一個連線的目的IP，目的埠，以及本地埠均相同
    // 結果丟擲異常：
    //  java.net.BindException: Address already in use: JVM_Bind
    Socket socket2 = new Socket("www.baidu.com", 80, null, 8888);
}

以上程式碼執行時丟擲異常，提示地址已經被使用，但是修改第二個socket物件的本地埠後，異常消失，驗證了上面的結論。