计算机网络——多路复用与多路分解

一、前言
  最近在看《计算机网络——自顶向下方法》这本书，读了一部分之后发现，这真是一本非常不错的计算机网络入门书籍，想要学习计算机网络的人可以去买来看看。今天刚读到运输层这一章，开头详细讲解了运输层的多路复用与多路分解，我觉得颇有收获，所以写篇博客分享一下这一部分内容。

二、解析
 2.1 应用层、运输层以及网络层的关系
  想要解析多路复用与多路分解，首先得大致了解一下计算机五层结构中，应用层、运输层与网络层的关系。

网络层是五层结构中的第三层，它的作用就是在网络中提供端到端（即主机之间）的逻辑通信；而运输层的是五层结构中的第四层，它的作用是提供进程之间的通信。应用层则是最顶层，作用是为用户提供与网络打交道的接口。

应用层与运输层之间通过套接字传递数据，套接字是运输层与应用层的一个中间媒介，位于两层之间。运输层接收到数据后，将它交付到正确的套接字中，应用层进程从的相应的套接字中获取数据；反之应用层将数据交付到套接字，运输层从套接字中收集数据。而网络层接收其他主机发送的数据，去除首部信息后交给运输层，由运输层定向到套接字；反之运输层也将从套接字中收集的数据封装后，交给网络层向下传递。

2.2 什么是多路复用与多路分解
  这里通过一个类比来理解这两个概念：假设有两个家庭A和B，各有10名家庭成员。假设这两个家庭中的每一个成员，在每个星期都要给另一个家庭的10成员各写一封信，所以A家庭每个星期都要有100封信送到B家庭，B家庭亦是如此。A家庭和B家庭各选出了一个负责人来处理这件事，假设A家庭的负责人是李明，而B家庭的负责人是韩梅梅。这两个负责人每个星期都需要干两件事情：

收集每个家庭成员写的信，并将它交给邮差，由邮差将信交到另一个家庭中；
邮差将信寄到家来时，负责人统一接收，并根据信上的收件人姓名，将信交给指定的家庭成员；
  多路复用的过程就好比负责人的要办事情1，而多路分解就好比事情2。下面来看这两个名称的解释：

多路复用：在数据的发送端，传输层收集各个套接字中需要发送的数据，将它们封装上首部信息后（之后用于分解），交给网络层；
多路分解：在数据的接收端，传输层接收到网络层的报文后，将它交付到正确的套接字上；
  家庭成员就好比套接字，而这两个负责人就好比主机中的运输层，邮差可以理解为网络层。负责人将寄来的信分发给家庭成员的过程，类似于运输层将数据报分发给指定的套接字；而邮差从一个家庭送信到另一个家庭，也可以类比为网络层中主机之间的通信。

那这两个过程具体是如何工作的呢？每个进程可以有多个套接字，运输层如何知道要将数据交付给哪一个套接字呢？这里我们需要明确复用/分解的要求：

每个套接字都有唯一标识；
每一个传递到运输层的报文段，都包含一些特殊字段，来指明它需要交付到的套接字；
  对于每一个套接字，都能被分配一个的端口号。所以，上述要求2中所说的特殊字段就是源端口号字段和目的端口号字段（对于TCP和UDP，这个还有一些其他特殊字段，将在后面讲解）。所以我们知道运输层如何实现分解服务了：当一个报文段到达运输层时，运输层检测报文段中的端口号，根据端口号，将其定向到指定的套接字中。然后数据通过套接字即可进入套接字对应的进程。

2.3 无连接的多路分解与多路复用
  上面只是讲解了一下这两个概念的一般形式，但是在具体的实现中要稍微复杂一些，不同协议所使用的套接字也有所区别，下面我们来看看UDP协议中的多路分解与多路复用。

我们知道，UDP是一个面向无连接，不可靠的运输层协议，它尽最大努力传输数据，但是不保证数据是否到达，或者是否按顺序到达，它要做的仅仅是将数据发出，至于发出后如何，它不会在意。

当进程需要发送UDP数据报时，首先要创建一个UDP套接字，然后应用层通过这个UDP套接字将数据传递到运输层，运输层为数据加上源端口号以及目的端口号，封装成数据报后交给网络层，网络层再为数据报封装上源IP以及目的IP。由于UDP协议仅仅只是将数据发出，所以对于UDP报文来说，最重要的就是目的地址的所在。可能正是因为这个原因，一个UDP套接字的标识就是目的IP+目的端口号。因此对于多个不同的UDP数据报，只要它们的目的IP+端口号相同，就算源地址不同，也会在目的主机中被定向到同一个UDP套接字中，被同一个进程所接收。目的IP决定了数据报将要发送到哪台主机，而目的端口号为运输层的的分解提供了标识。

这里可能就会有些疑问了，既然这样，那UDP报文为什么需要包含源IP+源端口号呢（IP在网络层被封装）？这是因为UDP是无连接的，当接收到一个UDP报文时，可能想要回送一个报文，这时候不知道源在何处将无法实现。所以当需要向源主机回复报文时，只需提取UDP报文中的源IP和源端口号，然后将它们作为目的IP+目的端口号即可实现。

2.4 面向连接的多路复用与多路分解
  既然有无连接的实现，自然就有连接的实现。运输层乃至整个计算机网络最著名的协议——TCP协议，就是一个面向连接的协议。TCP是一个面向连接，可靠的运输层协议。既然面向连接，那它就需要关注两个方面：源地址和目的地址，因为TCP的传输，需要两边协作完成。正因为TCP的特性，导致TCP的套接字和UDP也有所区别。TCP套接字的标识是一个四元组，即源IP+源端口+目的IP+目的端口（UDP是目的IP+目的端口）。我们通过一个实例来讲解TCP的多路复用/分解过程。

大部分人使用最多的应用层协议应该就是HTTP协议，而它就是基于TCP协议实现的，当我们在浏览器中请求一个页面时，将经历以下过程：

Web服务器监听80端口，等待客户端的连接；
用户在浏览器输入一个URL，回车后，浏览器进程创建一个套接字，此套接字由服务器IP，服务器80端口，本地IP，本地进程端口，四部分标识；
浏览器进程将数据通过此套接字从应用层传入运输层，运输层为TCP报文加上首部（包括源端口和目的端口）后，交给网络层，网络层为其加上网络层首部（包括源IP和目的IP）传输传输到Web服务器；
Web服务器的接收到此数据报后，检测到数据报请求的是端口80，于是检测80端口正在运行，且允许连接，则创建一个新的套接字，此套接字由服务器IP，服务器80端口，源IP，源端口，这四部分标识；
此后到达的Web服务器的数据报，若以上四部分完全相等，则将进入此套接字中；
  既然TCP套接字是由源IP+源端口+目的IP+目的端口四部分标识，不难想到，我们无法在同一台主机上，依靠同一个端口，向服务器的某个一个端口建立两个TCP连接，因为这样将无法区分两个连接。以下通过Java进行测试：

public static void main(String[] args) throws IOException {
    // 建立第一个TCP连接，结果正常
    Socket socket1 = new Socket("www.baidu.com", 80, null, 8888);

    // 建立第二个连接，与上一个连接的目的IP，目的端口，以及本地端口均相同
    // 结果抛出异常：
    //  java.net.BindException: Address already in use: JVM_Bind
    Socket socket2 = new Socket("www.baidu.com", 80, null, 8888);
}

以上代码执行时抛出异常，提示地址已经被使用，但是修改第二个socket对象的本地端口后，异常消失，验证了上面的结论。