对TCP端口和连接数的一点思考

Posted 2022-10-17 tanxiaxuan

先来看看一些约定俗成的内容。

• 一个网卡对应一个IP地址
• 一个IP地址对应65535个端口
• 一个socket(addr, port)可以接受多个socket连接(accept)
• 一个端口只能被一个socket监听(listen)

我在面试的时候，被问到过这么一个问题：ipv4协议下，假如主机的资源是无限的，理论上一个网卡能够接受多少个tcp连接？这个问题一开始很容易有个naive的想法，连接数就和端口数一样，65535。但这样显然是错误的，原因可以参考上面。

实际上这道题要文档本质是，一个tcp连接，必定有一个唯一区分这个链接的关键字。这显然不是端口，而是(svr_addr, svr_port, cli_addr, cli_port, protocol)这么一个五元组。理论上只要这五个值不完全一样，就不是一个相同的连接。所以答案的数量级非常庞大。

那什么是端口呢？我引用知乎的一个问题：
http://www.zhihu.com/question/22577025

ip能锁定一台物理机器，对应着一张网卡，外界发来的数据包网卡都会接收。但是问题来了，网卡给程序提供了接口，你监听一下我，要是有消息来了，我就转发给你。这样应用程序就能收到数据了。但是问题来了，程序A和程序B都需要监听网卡接发数据，网卡说那我把接到的数据都发给你两，你们自己看着办吧。好，小A小B都接受了。但是又来了CDEF……，不行了，每个包都被发到了所有应用程序，每个应用程序都累得不行，最终垮了。

好，那网卡说我给你们加个表示吧，我们之间可以用一个号码来作为标识，我和小A之间就用1来标识，如果外界发给1号标识的数据我就转发给你，你监听我的时候得告诉我你监听的时1，我就转发1的数据包给你。好了其他的BCD…都自己弄一个标识号，只要不重复就行。这样大家都省事了。

最后涉及到安全，一个标识号只能被一个应用程序监听，因为如果小A程序和小B同时监听一个标识号号，那就坏了，我传的数据都被AB接到，这样数据安全性就没办法保证了。

这个标识号就是端口，最初设计网络数据交换的设计者不知道是怎么想的。这是我的理解。

其实网卡都是被系统层封装了，端口和进程之间的关系也是系统封装好的。我们只需要用socket就行，给定一个端口号就行了。其他的事都交给操作系统去做。

也就是说，假如没有端口这么一个东西，应用层的程序就只能够直接监听网卡，这样会造成资源的浪费和很大的负荷，所以才划分这么多端口，并且一个端口只能被监听一次。

实际上，端口的信息只有到了TCP层才会被读取（而不是在网卡、或者数据链路层等其他地方），所以在TCP层记录了(port, pid)这么一个二元组，表示某个port被pid监听，从而让数据段准确传输到正确的位置。