传输层概述

网络层为我们提供了从主机到主机的传输能力，这种传输我们称为 点到点 传输。借助网络层，网络中的一台主机，可以向其他任一主机发送数据。

图中有两台主机，左边是一台普通的 PC ，右边是一台服务器，这是一种可以提供网络服务的主机。为访问服务器提供的网络服务，PC 必须与服务器进行通信。

通过网络层协议，例如 IP 协议，PC 与服务器都可以向对方发送数据。如果 PC 和服务器都只运行一个应用程序，那么网络层可以工作得很好。但这是不可能的！

进程间通信

无论是普通主机还是服务器，一般都不止运行一个应用进程。我们举个例子：

• 服务器上可能运行着多个服务进程，包括：授时服务、直播服务等等；
• PC 上也可能运行着多个应用进程，包括：校时工具、视频播放器等等；

为了观看直播，PC 上的播放器进程必须和服务器上的直播服务进程进行通信；为了校正时间，PC 上的时间同步进程必须和服务器上的时间服务进程进行通信。

换言之，我们需要一种 从进程到进程 的传输能力。

端口

那么，如何实现从进程到进程的传输能力呢？其实很简单，我们可以在网络层的基础之上，引入新的传输层，专注于进程间通信。

传输层的通信单元一般叫做 段 （ segment ），也分为头部和数据两个部分。其中，头部会保存发送进程和接收进程等相关信息。那么，保存进程的什么信息好呢？

你可能会想到进程号，但进程号其实不是一个好选择：一方面，进程号类型和数值范围都没有标准，可能因操作系统而有所差异；另一方面，进程号可能会变。

如果服务端进程发生重启，它的进程号就会发生改变。这时所有客户端都要进行调整，以便向新的进程号发送数据，显然是不合理的。

实际上，传输层引入了 端口 （ port ）的概念，用来区分不同的通信端点。如果将主机想象成一栋建筑物，那端口就是它上面的房间门：

一台主机上可以有很多个通信端口，应用进程可以关联到一个或多个端口。当进程需要发送数据时，它必须申请一个端口，数据从该端口发送出去；当某个端口有数据到达时，操作系统负责将数据提交给对应的应用进程。

这种从进程到进程的传输能力，可以叫做 端到端 传输。

我们可以通过主机地址，比如 IP 地址，来确定一个 点 ，主机地址加上端口，则可以确定一个 端 。

至于端口号，一般可以根据自己需要，灵活选用。但为了方便沟通协作，也形成了一些约定俗成的惯例，比如 Web 服务一般用 80 或 443 端口，邮件传输服务一般用 25 端口。这就是所谓的 知名端口 。

通信过程

传输层的通信单元是 段 （ segment ），它负责封装数据和通信双方的端口号。

段需要借助网络层提供的点对点通信能力，由网络层包（比如 IP 包）携带，传输到目标主机。当段到到目标主机后，操作系统可以根据端口号，将数据提交给对应的进程。

以时间同步进程请求时间服务为例，通信过程大致如下：

1. 时间同步进程需要向服务进程发请求数据，它先申请了一个端口，并通过该端口将数据提交给操作系统。
2. 操作系统将数据封装成一个段，段的头部会包含双方的端口号。这个段需要先发给服务器，服务器收到后根据端口号即可将数据提交给对应的进程。
3. 由于 IP 等网络层协议已经具备了主机间通信能力，因此可以将这个段搭载在网络层包中，发给服务器。网络层包需要经过若干条路由的转发，才能最终到到服务器。此外，网络层包每次转发时，都需要搭载在数据链路层帧中，发给下一节点。
4. 网络层包来到服务器，服务器根据包头部中的协议字段，将承载在包数据中的段取出，提交给传输层来处理。
5. 传输层收到这个段后，根据端口号，找到目标进程。
6. 操作系统将段中的数据，提交给对应的时间服务进程。

在现行的 TCP/IP 协议栈中，有两个常用的传输层协议：

• UDP ，无连接的数据报式协议；
• TCP ，面向连接的流式协议；

下一小节，我们开始学习 UDP 协议。

【小菜学网络】系列文章首发于公众号【小菜学编程】，敬请关注：