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计算机网络自顶向下方法6——应用层进程通信与运输服务

news 2025/10/27 7:53:39

应用层探秘（二）：进程通信与运输服务

本文深入解析网络应用的基石：进程如何通过网络通信，以及如何选择合适的运输服务。

一、进程通信：网络应用的实质

网络应用的本质，是运行在不同主机上的应用进程之间的通信。“客户端”和“服务器”实际上是进程的角色。

1. 客户端与服务器进程

客户端进程：通信的发起者。
- 通常由用户触发，间歇性运行。
- 主动向服务器发起通信。
- 动态获取IP地址。
服务器进程：通信的等待者。
- 总是运行在后台，等待连接请求。
- 拥有固定的、众所周知的IP地址。

关键点：我们常说的“客户端”和“服务器”，指的是承担相应角色的进程，而非整个主机。一台主机可以同时运行多个客户端和服务器进程。

2. 进程与网络之间的接口：套接字

进程通过一个称为套接字的软件接口向网络发送和接收报文。

// 一个简化的视角：你的项目中的通信
// 客户端进程
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 创建套接字
connect(sockfd, &server_addr, sizeof(server_addr)); // 连接服务器进程
send(sockfd, json_request, strlen(json_request), 0); // 通过套接字发送数据// 服务器进程
int client_fd = accept(server_sockfd, NULL, NULL); // 接受连接，创建新的套接字用于通信
recv(client_fd, buff, sizeof(buff), 0); // 通过套接字接收数据

套接字是应用层与运输层之间的门户。开发者可以控制套接字这一端的几乎所有东西（选择运输协议、设定参数），但对套接字另一端的运输层基础设施几乎无法控制。

3. 进程编址：如何找到对方？

为了向特定主机上的特定进程发送报文，需要两种信息：

主机的地址：IP地址。
进程的标识符：端口号。

HTTP服务器使用端口80
SMTP服务器使用端口25

二、应用程序需要的运输服务

不同的网络应用对数据传输有不同的要求。在选择运输协议时，主要从以下四个维度考量：

1. 可靠数据传输

需求：数据能否容忍丢失？
可靠：确保由发送进程发送的数据最终完整地交付给接收进程。
- 适用场景：文件传输、电子邮件、Web文档传输。
不可靠：可能发生数据丢失。
- 适用场景：语音/视频通话（丢失少量数据影响不大，重传反而有害）。

2. 吞吐量

需求：应用对传输速率有无最低要求？
带宽敏感的应用：需要吞吐量保证在某数值以上。
- 适用场景：多媒体应用（如视频流）。
弹性应用：能够利用任何可用的吞吐量。
- 适用场景：电子邮件、文件传输。

3. 定时

需求：数据对传输延迟是否敏感？
要求低延迟：数据必须在某个时间范围内到达。
- 适用场景：网络游戏、语音通话（延迟>400ms体验就很差）。
对延迟不敏感：没有严格的延迟上限。
- 适用场景：文件下载。

4. 安全性

需求：数据是否需要保密、完整或认证？
需要安全：对传输数据进行加密，防止窃听和篡改。
- 适用场景：网上银行、电子商务、企业敏感信息。
不需要安全：数据可以明文传输。
- 适用场景：非敏感信息的普通浏览。

三、因特网提供的运输服务

因特网的运输层主要为我们提供了两个协议：TCP和UDP。它们为应用层提供了截然不同的服务模型。

1. TCP服务

TCP是一个面向连接的、可靠的运输协议。

面向连接：在数据传输前，客户端和服务器会交换控制信息，进行三次握手，建立一个TCP连接。数据传输结束后，会关闭连接。
可靠数据传输：通过确认、重传等机制，确保数据正确、有序地从发送进程到达接收进程。
拥塞控制：当网络出现拥堵时，TCP会抑制发送进程，缓解网络压力。这不仅是为了对方考虑，也是为了整个网络的健康。
流量控制：协调发送和接收速率，防止发送方过快地发送数据而淹没接收方。

TCP像是可靠的“快递服务”：你寄出的包裹（数据）保证不丢失、不损坏、按顺序送达，但可能需要付出一些时间（延迟、开销）的代价。

2. UDP服务

UDP是一个无连接的、不可靠的运输协议。

无连接：发送数据前没有握手过程，直接发送。
不可靠数据传输：不保证数据一定能到达接收进程，也不保证按序到达。
没有拥塞控制和流量控制：发送进程可以按任何速率发送数据。

UDP像是普通的“邮政平信”：成本低、速度快，但可能丢失、乱序，且不通知你。

3. TCP与UDP对比速查表

特性	TCP	UDP
连接建立	需要（三次握手）	不需要
可靠性	可靠，保证交付	不可靠，可能丢失
吞吐量	受拥塞控制调节	不受限制，但可能因丢包而不稳定
定时	不保证	不保证
拥塞控制	有	无
头部开销	较大（20字节）	较小（8字节）
数据流	面向字节流，无消息边界	面向报文，保留消息边界

四、运输服务选择指南

作为应用开发者，如何为你的应用选择合适的运输协议？

应用	应用层协议	底层运输协议	选择原因
电子邮件	SMTP	TCP	可靠性至关重要，不能丢失邮件内容
Web应用	HTTP	TCP	可靠性至关重要，需要保证网页完整加载
文件传输	FTP	TCP	可靠性和完整性是首要目标
远程终端	SSH/Telnet	TCP	可靠性很重要，打错的命令后果严重
流媒体	HTTP, RTP	TCP 或 UDP	时效性和吞吐量是关键，可容忍少量丢失
网络电话	SIP, RTP	通常UDP	低延迟和时效性是关键，重传无意义
域名解析	DNS	通常UDP	请求-响应模式，简单快速，一次交换即可完成