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[网络编程] Mike教大家一起学网络编程(二):无连接和面向连接协议的区别

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mikejiangsky 发表于 2015-5-22 15:28:48 | 显示全部楼层 |阅读模式

原文转自:Mike的专业学习博客


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。


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