计算机网络（47）应用进程跨越网络的通信

前言

计算机网络应用进程跨越网络的通信是一个复杂而关键的过程，它涉及多个层面和组件的协同工作。

一、通信概述

计算机网络中的通信，本质上是不同主机中的应用进程之间的数据交换。为了实现这种通信，需要借助网络协议栈中的各层协议，特别是运输层协议（如TCP/IP）来提供可靠的通信服务。

二、系统调用与API

系统调用：系统调用是应用程序与操作系统之间的桥梁，它允许程序请求操作系统的服务。在应用进程需要进行网络通信时，会发出系统调用，请求操作系统为其创建套接字等必要的网络资源。
API：应用编程接口（API）是一组标准的系统调用函数，它简化了应用程序与操作系统之间的交互。通过API，应用程序可以更方便地获取操作系统提供的服务，如网络通信、文件操作等。套接字接口（如Berkeley UNIX的套接字接口和Windows Socket）是应用进程与网络协议之间的一个重要接口，它隐藏了底层网络通信的复杂性，使得开发人员可以更专注于应用逻辑的实现。

三、套接字与端口

套接字：套接字是网络通信的端点，它充当了应用层与传输层之间的桥梁。套接字既被应用程序控制（如创建套接字、发起连接请求等），又受操作系统管理（如数据的传输、网络资源的分配等）。通过套接字，应用进程可以进行建立连接、发送数据、接收数据等网络操作。
端口：端口是运输层协议用于区分不同应用进程的一种标识。在互联网环境下，由于存在多种操作系统和进程标识符格式，因此需要使用统一的端口号来标志TCP/IP体系中的应用进程。端口号分为服务器端使用的端口号和客户端使用的端口号，其中服务器端使用的端口号包括熟知端口号和登记端口号，而客户端使用的端口号则是短暂端口号。

四、TCP/IP协议栈

TCP/IP协议栈是实现计算机网络通信的基础。它包含多个层次，每个层次都负责不同的功能。在应用进程跨越网络的通信中，主要涉及到运输层和网络层的功能。

运输层：运输层负责提供端到端的通信服务。它使用协议端口号来标识不同的应用进程，并通过套接字接口与应用进程进行交互。TCP是运输层的一种重要协议，它提供了面向连接的、可靠的、基于字节流的通信服务。UDP则是另一种常用的运输层协议，它提供了无连接的、不可靠的通信服务。
网络层：网络层负责将数据包从源主机传输到目的主机。它使用IP地址来标识不同的主机，并通过路由选择和转发机制来实现数据包在网络中的传输。

五、通信过程

连接建立阶段：在应用进程需要进行网络通信时，首先会创建套接字并绑定到指定的端口号和IP地址上。然后，服务器进程会调用listen系统调用来设置套接字为被动模式，准备接受客户端的连接请求。客户端进程则会调用connect系统调用来发起连接请求。在TCP连接中，还需要经过三次握手过程来建立可靠的连接。
数据传送阶段：一旦连接建立成功，应用进程就可以通过套接字进行数据的发送和接收。在TCP连接中，数据是按照顺序传输的，并且每个数据包都会得到确认和重传保证。而在UDP连接中，数据则是无连接的、不可靠的传输方式。
连接释放阶段：当应用进程完成通信后，会调用close系统调用来释放连接并撤销套接字。在TCP连接中，还需要经过四次挥手过程来确保连接的可靠释放。