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简述多路复用与多路分解

news 来源：原创 2025/5/30 10:41:14

在计算机网络体系结构中，网络层与传输层承担着不同粒度的交付职责。网络层基于 IP 协议实现主机到主机的端到端通信，而传输层则在此基础上，进一步为运行在主机上的应用进程提供进程到进程的通信服务。在接收方主机中，传输层从网络层获取报文段后，需将其精准交付至对应的应用进程。

进程通过套接字（Socket）与外界进行网络通信，一个进程可拥有一个或多个套接字。因此，如何将到达运输层的报文段准确路由至目标套接字，成为传输层的核心任务之一。为此，每个传输层报文段都包含特定的标识字段（如 TCP/UDP 的源端口号、目标端口号），用于标记数据的发送端与接收端。

在接收端，传输层通过解析报文段的标识字段，识别目标套接字，并将报文段定向交付，这一过程称为多路分解（Demultiplexing）。而在发送端，传输层则负责从不同套接字收集数据，为每个数据块封装包含源 / 目标端口号等信息的首部，生成报文段后传递给网络层，此过程称为多路复用（Multiplexing）。通过多路复用与多路分解机制，传输层实现了多个应用进程在同一网络连接上的并发通信，确保数据既高效共享底层资源，又能准确无误地抵达目标进程。

端口号是一个 16 比特的无符号整数，取值范围为 0~65535。其中：

0~1023 端口称为周知端口号（Well-Known Ports），由互联网号码分配机构（IANA）统一管理，保留给 HTTP、FTP、SSH 等标准应用层协议使用。例如：80 端口用于 HTTP 协议，22 端口用于 SSH 服务。
1024~49151 端口称为注册端口号（Registered Ports），可供用户自定义的应用程序注册使用（需向 IANA 申请）。
49152~65535 端口称为动态 / 临时端口号（Dynamic/Private Ports），用于客户端程序临时申请，无需提前注册，由操作系统自动分配。

当我们开发一个新的应用程序的时候，必须给其分配一个端口。

无连接协议（如 UDP）和面向连接协议（如 TCP）在实现多路复用与多路分解时，因协议特性不同而存在显著差异。

无连接协议（以 UDP 为例）的多路复用与多路分解

核心特点

无连接状态管理：通信前无需建立连接，每个报文段独立传输，不维护连接上下文。
基于端口号的轻量级标识：通过源端口号和目的端口号区分不同进程，无需跟踪连接状态。

1. 多路复用（发送端）

机制：
多个应用进程（套接字）的数据块被逐个封装成 UDP 报文段，每个报文段添加源端口号（标识发送进程）和目的端口号（标识接收进程），然后通过同一网络层接口（如 IP 层）发送到网络。
关键逻辑：
- 不同套接字的数据可混合传输，共享底层网络资源（如 IP 层的主机到主机通信）。
- 源端口号可选：客户端进程通常由操作系统动态分配临时端口号（如 49152~65535），服务器进程需绑定固定端口号（如 DNS 服务的 53 端口）。
示例：
一台主机上的实时聊天应用（端口 A）和视频流应用（端口 B）同时通过 UDP 发送数据，两者的报文段会交替进入 IP 层，由 IP 层负责路由转发。

2. 多路分解（接收端）

机制：
接收端 UDP 模块从 IP 层获取报文段后，根据报文段中的目的端口号查找对应的套接字，将数据交付给该套接字关联的进程。
关键逻辑：
- 若目的端口号未被任何套接字绑定，UDP 会丢弃该报文段并可能返回 ICMP 端口不可达消息。
- 同一主机上可能存在多个绑定相同目的端口号的套接字吗？通常不允许，因为端口号在单主机上需唯一标识进程（除非使用 IP 多播 / 广播，但需额外参数区分）。
标识要素：
UDP 套接字的唯一标识为 （源 IP 地址，源端口号，目的 IP 地址，目的端口号，协议类型），但多路分解时主要依赖目的端口号和协议类型（UDP），结合接收主机的 IP 地址完成匹配。

无连接依赖端口号实现轻量化的进程区分，适合无需状态维护的场景，但可能因报文段独立传输导致顺序错乱或丢失。

面向连接协议（以 TCP 为例）的多路复用与多路分解

核心特点

连接状态管理：通信前需通过 “三次握手” 建立连接，每个连接有唯一的状态（如序列号、窗口大小等），通信结束后通过 “四次挥手” 释放连接。
基于套接字对的唯一标识：每个 TCP 连接由四元组（源 IP 地址，源端口号，目的 IP 地址，目的端口号）唯一标识，确保跨网络的唯一性。

1. 多路复用（发送端）

机制：
多个 TCP 连接（如浏览器打开的多个网页标签）的数据流被分割成数据段，每个数据段封装源端口号和目的端口号，并携带连接对应的序列号、确认号等状态信息，通过 IP 层复用同一物理链路发送。
关键逻辑：
- 每个 TCP 套接字（连接）独立维护发送缓冲区、拥塞控制等状态，数据段按连接顺序编号，确保可靠传输。
- 源端口号由客户端动态分配（避免冲突），服务器端通过固定端口号（如 HTTP 的 80 端口）监听连接请求。
示例：
用户同时用浏览器访问两个不同网站（服务器 IP 不同，但均使用 80 端口），客户端会为每个网站创建独立的 TCP 连接，分别绑定不同的源端口号（如 1025 和 1026），通过多路复用共享 IP 层的网络资源。

2. 多路分解（接收端）

机制：
接收端 TCP 模块从 IP 层获取数据段后，通过解析四元组（源 IP、源端口、目的 IP、目的端口）识别唯一的目标连接，将数据段按顺序放入对应连接的接收缓冲区，最终交付给绑定该连接的套接字进程。
关键逻辑：
- 即使多个连接的目的端口号相同（如多个客户端连接到服务器的 80 端口），也可通过源 IP 地址和源端口号区分不同连接。
- 若数据段的四元组无法匹配任何已建立的连接，TCP 会丢弃该数据段并返回 RST（复位）报文。
标识要素：
TCP 套接字的唯一标识为 （源 IP 地址，源端口号，目的 IP 地址，目的端口号），多路分解时必须完全匹配这四个要素，确保将数据段准确交付到正确的连接。