3. Transport Layer

Lec 2.8: TCP Socket Programming¶

基本流程¶

服务器进程必须先处于运行状态
1. 创建欢迎 socket
2. 和本地端口捆绑（比如 Web 服务就和 TCP 80/443 捆绑）
3. 在欢迎 socket 上阻塞式等待接受用户的连接
  - 阻塞式：除非操作系统接收到了用户的连接，否则 OS 的进程调度程序在 context switch 的时候，就不会选择让这个进程继续运行
客户端主动和服务器建立连接
1. 创建本地套接字（隐式捆绑到本地的某个高位 port，比如 51411）
2. 指定（服务器进程的）IP 地址和端口号，与服务器进程连接
当与客户端连接请求到来时
1. 服务器接受来自用户端的请求，解除阻塞式等待，返回一个新的 socket，与客户端通信
  - 注意：新的 socket 不是原来的欢迎 socket
  好处：
  1. 允许服务端与多个客户端通信
  2. 使用源 IP 和源端口来区分不同的客户端
连接 API 调用有效时，客户端就与服务器建立了 TCP 连接

数据结构¶

sockaddr_in：IP 地址和端口的数据结构

struct sockaddr_in
{
    short sin_family;        // AF_INET
    u_short sin_port;        // port
    struct in_addr sin_addr; 
        //  IP address, uint32_t
    char sin_zero[8]; // align
};

如图，sin_family 支持多种协议。

hostent：域名和 IP 地址的数据结构

struct hostent {
   char  *h_name;            /* official name of host */
   char **h_aliases;         /* alias list */
   int    h_addrtype;        /* host address type */
   int    h_length;          /* length of address */
   char **h_addr_list;       /* list of addresses */
};
##define h_addr h_addr_list[0] /* for backward compatibility */

hostent 作为调用域名解析函数时的参数。返回后，将 IP 地址拷贝到 sockaddr_in 的 IP 地址部分。

TCP 连接¶

如图，注意

connectionSocket = accept(welcomeSocket) 就是一个阻塞函数，直到 welcomeSocket 收到（合法）连接请求之后，才取消阻塞，并且在成功建立连接之后，得到一个新的 connectionSocket。
sad 就是 socket address，对应 sockaddr_in 结构体。
图上是单进程的模式。实际上，我们可以在 connectionSocket = accept(...) 后面进行 fork，用子进程来处理 connectionSocket，而父进程还是在 welcomeSocket 上监听。
- 由于 TCP 连接是一个四元组（自身 IP:port，对方 IP:port），因此任何发送到 80 端口的数据包，都能和唯一一个进程的 fd 对应上。
- 因此，不必考虑多进程时的问题。
图中黑线是连接建立过程，红线是实际数据包发送过程。
图中红线显示的是“先发再收”。但是，普遍而言，“先发再收”还是“先收再发”，取决于应用协议的具体定义。

UDP 连接 VS TCP 连接¶

对于 TCP 而言，客户端分这几个步骤：

初始化 socket file descriptor
执行 dns 查询，查找 host 对应的的 ip address
通过端口、IP 构建 sockaddr_in
- 指定对方 IP 和端口
- 自己的 IP 和端口隐式绑定
发起连接建立请求
send
receive
关闭连接

对于 TCP 而言，服务端分这几个步骤

初始化 welcome socket file descriptor
通过端口、IP 构建 sockaddr_in
- 指定自己 IP 和端口
- IP 经常为 INADDR_ANY, INADDR_LOOPBACK 等等
阻塞式 listen
- listen 时，需要绑定 struct sockaddr_in client_socket，以便于知道对方的 IP 和端口
创建 connection socket descriptor
receive
(process query)
send
关闭连接

对于 UDP 而言，客户端分这几个步骤：

初始化 socket file descriptor
执行 dns 查询，查找 host 对应的的 ip address
通过端口、IP 构建 sockaddr_in
- 指定对方 IP 和端口
- 自己的 IP 和端口隐式绑定
sendto（需要指定 socketaddr_in）
recvfrom（需要指定 socketaddr_in）

与 TCP 不同：

无需事先建立连接
需要指定地址

对于 UDP 而言，服务端分这几个步骤

初始化 socket file descriptor
通过端口、IP 构建 sockaddr_in
- 指定自己 IP 和端口
- IP 经常为 INADDR_ANY, INADDR_LOOPBACK 等等
recvfrom（需要绑定 socketaddr_in client_addr，以便于知道对方的 IP 和端口）
(process query)
sendto（需要指定 socketaddr_in client_addr）

与 TCP 不同：

无需事先建立连接
需要指定地址
无需创建新的 connection socket 用于服务这个连接

Lec 3.1: Introduction¶

如图，TCP 和 UDP 都提供了多路复用和解复用的服务（也就是说，IP 只提供了主机到主机的服务，因此，如果主机里面的进程希望通信，那么就需要复用 IP 提供的这一条链路，使之看起来就和多路一样）。

但是，除此之外，UDP 不再提供任何其它服务，而 TCP 还提供了可靠、保序的服务，以及拥塞控制、流量控制等额外功能。为了实现这些功能，TCP 需要首先先建立连接。

当然，不论是 TCP 还是 UDP，它们能够提供的服务都是有限的。对于延时和带宽，它们无能为力。

Lec 3.2: Mux and Demux¶

TCP¶

TCP 套接字需要提供 (Source IP, Source Port, Dest IP, Dest Port) 这一个四元组。通过这个四元组，我们就可以唯一标识一个 TCP 连接。

具体地：

通过 socket，我们将四元组以 IDU 的形式传输给 TCP
TCP 将 (Source Port, Dest Port) 封装到自己的 PDU 的 header 里去，然后把 (Source IP, Dest IP) 继续当作 ICI，传给 IP
IP 将 (Source IP, Dest IP) 封装到自己的 PDU 的 header 里去，并一路传到对方的对等层
对方的 IP 将 TCP segment 以及 IP 信息传给 TCP
对方的 TCP 将 HTTP 数据包以及 IP, port 信息传给 HTTP，从而完成了一次发送

UDP¶

UDP 相比 TCP 的套接字，创建的时候，无需指定对方的 IP 和 port，但是进行传输的时候需要指定。所以，具体的过程和 TCP 其实是大同小异的。

UDP 和 TCP 定位进程方式的区别¶

但是，UDP 只以目标 IP 和目标 port 来区分进程。因此，如果多个不同的主机指定了同一个 IP:port，那么就会被转发到同一个对方主机的 PID 上处理。

而 TCP 还考虑了源 IP,port，因此可以不同的 connection socket 服务不同的 source IP, port。

如果要通过代码获得一些“感性上的认知”的话。如下

TCP 是：

/**
 * tcp-server.c
 */

int main()
{
    //...
    connection_socket = accept(welcome_socket, (struct sockaddr *)&client_address, &client_address_len);
}

在这里面，kernel 就把 client_address 和 welcome_socket 绑定在一起，形成四元组，然后返回这个 file descriptor。

而 UDP 是：

/**
 * udp-server.c
 */

int main()
{
    // ...
    ssize_t bytes_received = recvfrom(sock, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr *)&client_address, &addr_len);
}

在这里面，根本没有新的 file descriptor 被创建，显然只能是采用二元组。