Linux网络编程——无连接和面向连接协议的区别

网络编程中最基本的概念就是面向连接（connection-oriented）和无连接（connectionless）协议。尽管本质上来说，两者之间的区别并不难理解，但对那些刚刚开始进行网络编程的人来说，却是个很容易混淆的问题。这个问题与上下文有些关联：很显然，如果两台计算机要进行通信，就必须以某种形式“连接”起来，那“无连接通信”又是什么意思呢？

答案是：面向连接和无连接指的都是协议。也就是说，这些术语指的并不是物理介质本身，而是用来说明如何在物理介质上传输数据的。面向连接和无连接协议可以，而且通常也确实会共享同一条物理介质。

如果两者的区别与承载数据的物理介质无关，又和什么有关呢？它们的本质区别在于，对无连接协议来说，每个分组的处理都独立于所有其他分组，而对面向连接的协议来说，协议实现则维护了与后继分组有关的状态信息。

无连接协议中的分组被称为数据报（datagram），每个分组都是独立寻址，并由应用程序发送的。从协议的角度来看，每个数据报都是一个独立的实体，与在两个相同的对等实体之间传送的任何其他数据报都没有关系，这就意味着协议很可能是不可靠的。也就是说，网络会尽最大努力传送每一个数据报，但并不保证数据报不丢失、不延迟或者不错序传输。

另一方面，面向连接的协议则维护了分组之间的状态，使用这种协议的应用程序通常都会进行长期的对话。记住这些状态，协议就可以提供可靠的传输。比如，发送端可以记住哪些数据已经发送出去了但还未被确认，以及数据是什么时候发送的。如果在某段时间间隔内没有收到确认，发送端可以重传数据。接收端可以记住已经收到了哪些数据，并将重复的数据丢弃。如果分组不是按序到达的，接收端可以将其保存下来，直到逻辑上先于它的分组到达为止。

典型的面向连接协议有三个阶段。第一阶段，在对等实体间建立连接。接下来是数据传输阶段，在这个阶段中，数据在对等实体间传输。最后，当对等实体完成数据传输时，连接被拆除。

一种标准的类比是：使用无连接协议就像寄信，而使用面向连接的协议就像打电话。

给朋友寄信时，每封信都是一个独立寻址且自包含的实体。邮局在处理这些信件时不会考虑到两个通信者之间的任何其他信件。邮局不会维护以往通信者的历史记录--也就是说，它不会维护信件之间的状态。邮局也不保证信件不丢失、不延迟、不错序。这种方式就对应于无连接协议发送数据报的方式。（用明信片进行类比会更合适一些，因为写错地址的信件会被退回发信人，而（和典型的无连接协议数据报一样）明信片则不会。）

现在来看看不是给朋友寄信，而是打电话时会发生些什么事情。

首先，拨朋友的号码来发起呼叫。朋友应答，会说“嗨”之类的话，然后我们回应：“嗨，Lucy。我是 Mike。”我们和朋友聊一会儿，然后互说再见并挂机。这是面向连接协议中发生的典型状况。在连接建立阶段，一端与其对等实体联系，交换初始问候信息，对会话中要用到的一些参数和选项进行沟通，然后连接进入数据传输阶段。

在电话交谈的过程中，两端用户都知道他们在和谁说话，因此没必要不停地说“这是 Mike 在跟 Lucy 说话”。也没必要在每次说话之前都拨一次朋友的电话号码——我们的电话已经连接起来了。同理，在面向连接协议的数据传输阶段，也没必要说明我们自己或对等实体的地址。连接为我们维护的状态中包含了这些地址。我们只要发送数据就行了，不需要考虑寻址或其他与协议相关的问题。

就像用电话交谈一样，连接的任一端完成数据的传输时，都要通知其对等实体。两端都完成传输时，要依次将连接拆除。

既然无连接协议有这么多的缺点，大家可能会奇怪，为什么还要使用这种协议呢？我们会看到，在很多情况下，使用无连接协议构建应用程序都是有意义的。比如，使用无连接协议可以很方便地支持一对多和多对一通信，而面向连接协议通常都需要多个独立的连接才能做到。但更重要的是，无连接协议是构建面向连接协议的基础。TCP/IP 是基于一个４层的协议栈，如下图所示：

如图所示，TCP 和 UDP 都是构建在 IP 之上的。因此，IP 是构建整个 TCP/IP 协议族的基础。但 IP 提供的是一种尽力而为的、不可靠的无连接服务。它接收来自其上层的分组，将它们封装在一个 IP 分组中，根据路由为分组选择正确的硬件接口，从这个接口将分组发送出去。一旦将分组发送出去了，IP 就不再关心这个分组了。和所有无连接协议一样，它将分组发送出去之后就不再记得这个分组了。

这种简单性也是 IP 的主要优点。因为它对底层的物理介质没有作任何假设，所以在任何能够承载分组的物理链路上都可以运行 IP。例如，IP 可以运行在简单的串行链路、以太网和令牌环 LAN、X.25 和使用 ATM（Asychronous Transfer Mode，异步转移模式）的 WAN、CDPD（Cellular Digital Packet Data，无线蜂窝数字分组数据）网，以及很多其他网络上。尽管这些网络技术之间有很大的差异，但 IP 对它们一视同仁，除了认为它们可以转发分组之外没有对其作任何假设。这种机制隐含了很深的意义。IP 可以运行在任何能够承载分组的网络上，所以整个 TCP/IP 协议族也可以。

现在我们来看看 TCP 是怎样利用这种简单的无连接服务来提供可靠的面向连接服务的。TCP 的分组被称为段（segment），是放在 IP 数据报中发送的，因此，根本无法假定这些分组会抵达目的地，更不用说保证分组无损坏且以原来的顺序到达了。

为了提供这种可靠性，TCP 向基本的 IP 服务中添加了三项功能：
首先，它为 TCP 段中的数据提供了校验和。这样有助于确保抵达目的地的数据在传输过程中不会被网络损坏。
第二，它为每字节分配了一个序列号，这样，如果数据抵达目的地时真的错序了，接收端也能够按照恰当的顺序将其重装起来。当然，TCP 并没有为每字节都附加一个序列号。实际上，每个 TCP 段的首部都包含了段中第一字节的序列号。这样，就隐含地知道了段中其他字节的序列号。
第三，TCP 提供了一种确认-重传机制，以确保最终每个段都会被传送出去。

另一方面，UDP 为编写应用程序的程序员提供了一种不可靠的无连接服务。事实上，UDP 只向底层的 IP 协议中添加了两项功能。

首先，它提供了一个可选的校验和来检测数据的损坏情况。尽管 IP 也有校验和，但它只对 IP 分组首部进行计算，所以，TCP 和 UDP 也都提供了校验和来保护它们自己的首部和数据。

其次，UDP 向 IP添加的第二项特性就是端口的概念。

回到与电话/寄信的类比中来，我们可以把 TCP 连接中的网络地址当作一个办公室总机的电话号码，把端口号当作办公室中某台正被呼叫的特定电话的分机号。同理，可以将UDP网络地址当作一座公寓楼的地址，并把端口号当作公寓楼大厅中的个人邮箱。