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进程号和端口号是什么关系？是一对一、一对多、还是多对一？

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进程号和端口号是什么关系？
是一对一、一对多、还是多对一？
网络通信中为何要通过绑定端口号来识别应用程序？
为何不是绑定进程号来识别应用程序？
Q1: 为何不是绑定进程号来识别应用程序？
烦请楼主告知，知乎提供https://www.zhihu.com服务的服务器进程号(Process ID)是多少？
大概率无法告知，因为进程号是操作系统给服务器进程动态分配的(Process ID 0 使用fork创建 )，当前的进程号可能是1949，一旦重启可能就变成2024。而且服务器集群(Cluster)每一个服务器使用的进程号大概率不一样，究竟用哪一个进程号识别应用程序？
看出弊端了吧。
不需要知道服务器的进程号，照样可以和它通信，因为它使用著名端口号443，准确的说是TCP协议的443端口。
浏览器或者APP拿到这个URI= https://www.zhihu.com，立马就解析出Port =443。至于怎么解析，上篇文章有详细介绍。
通过端口号来识别应用程序，无论服务器如何重启、无论集群里有多少服务器，只要一个端口号443就可以访问它们，是不是方便多了？！
Q2: 网络通信中为何要通过绑定端口号来识别应用程序？
便利。
通过IANA这个全球组织，将一些端口预留给互联网服务，方便客户端与服务器勾连起来(Socket Pair)。
如果把服务器的端口号443、以及IP=1.1.1.1、通过bind命令在Listening_Socket上：
Listening_Socket.local_ip =1.1.1.1;
Listening_Socket.local_port =443;
来自远方的客户端IP= 2.2.2.2，Connect上述的服务器，操作系统分配端口号 =9999，Client_Socket绑定的transport信息如下：
Client_Socket.local_ip =2.2.2.2;
Client_Socket.local_port =9999;
经过大名鼎鼎的TCP三次握手，TCP连接成功建立，则双方的Socket信息update如下：
服务器
Listening_Socket.local_ip =1.1.1.1;
Listening_Socket.local_port =443;
Listening_Socket.peer_ip =2.2.2.2;
Listening_Socket.peer_port =9999;
客户端
Client_Socket.local_ip =2.2.2.2;
Client_Socket.local_port =9999;
Client_Socket.peer_ip =1.1.1.1;
Client_Socket.peer_port =443;
如果把高亮的服务器Socket比作插座，Client Socket比作插头，一旦Socket Pair(4行信息)配对成功，一个TCP连接就成功建立了。
通信双方就可以在Socket Pair上发送(send)、接收(receive)数据了。
TCP仅仅是依赖于端口号（local）来识别应用程序的吗？
不是！
TCP依赖于Local IP + Local Port来识别应用程序的吗？
不完全是。仅仅适用于接收Client第一个SYN连接报文。
一旦处理完SYN报文，接下来则变成：
TCP依赖于Local IP + Local Port+ Peer IP + Peer Port来识别应用程序，即上文双方的Socket Pair 各自4行信息。
这里的识别程序可以理解为，网卡每秒接收到几百万的Packet，途经TCP的处理之后，将Packet放入 which socket的receive buffer？
无论Client还是Server端，依据的是Socket Pair 4元组信息，参照上文的详细描述。
通俗地说，Socket Pair 4元组信息，其实就是需要同时满足的4个约束条件的渔网，将属于服务器/客户端的鱼(packet)捞上来，做进一步的处理。
再让目光聚焦于“仅仅适用于接收Client第一个SYN连接报文“，什么意思？
服务器的Listening Socket仅仅用于TCP连接建立，准确地说，专门用于等待Client的SYN报文的到来，类似于姜太公钓鱼。
在Client的SYN报文到达之前，服务器是无法知晓Cient的transport连接信息的（Peer IP + Peer Por）的，
服务器
Listening_Socket.local_ip =1.1.1.1;
Listening_Socket.local_port =443;
Listening_Socket.peer_ip =0;
Listening_Socket.peer_port =0;
故服务器无法使用4个约束条件过滤网捞鱼。而只能使用2个条件捞鱼：
Listening_Socket.local_ip =1.1.1.1;
Listening_Socket.local_port =443;
捞上来的Packet自然由服务器进程处理。服务器一旦接收客户端的SYN，立马就获知了Client的IP、端口号，服务器就有了以下信息：
  • Listening_Socket.local_ip =1.1.1.1;
  • Listening_Socket.local_port =443;
  • Listening_Socket.peer_ip =2.2.2.2;
  • Listening_Socket.peer_port =9999;
如果服务器真的这么做，那么服务器只能连接一个client（2.2.2.2），来自其它客户端的Packet是无法捞进Listening Socket的。
服务器没有那么傻，服务器是这么做的。
一旦收到client 的SYN报文，按照Listening Socket模板创建一个新的socket, 假设名字为Connected_Socket，则有
  • Connected_Socket.local_ip =1.1.1.1;
  • Connected _Socket.local_port =443;
  • Connected _Socket.peer_ip =2.2.2.2;
  • Connected _Socket.peer_port =9999;
并fork一个Child Process与这个Connected_Socket关联起来。换句话说，满足该4元组约束条件的packet将交由Child Process处理。
而原先的服务器进程继续在Listening Socket继续Listening新的TCP连接请求。
  • Listening_Socket.local_ip =1.1.1.1;
  • Listening_Socket.local_port =443;
  • Listening_Socket.peer_ip =0;
  • Listening_Socket.peer_port =0;
这里的‘0‘代表wildcard，表示为完全匹配。类似于默认路由的0.0.0.0，匹配所有路由。
上文的关键词，Listening Socket与Connected Socket的区别与联系。
Q3: 进程号和端口号是什么关系？
一个进程号(Process ID)唯一一个进程(Process)，一一映射关系。
一个进程可以通过socket接口创建任意多个socket，一个socket可以bind一个端口。比较恰当的例子就是http 1.0客户端，一个TCP连接只能用于一次HTTP交易，为了加速下载网页，同时建立多个TCP连接，并行传输http页面。这里是一对多映射关系。
故，进程号与端口号的映射关系：一对多映射。
Q4: 是一对一、一对多、还是多对一？
进程号与端口号的映射关系：
对于UDP来说，可以一对一，也可以一对多，一个进程可以创建任意多个Socket，并bind不同的端口号。也可以多对一，即多个进程号映射一个端口号。比如多个进程共同接收特定UDP端口号的组播。
对于TCP来说，可以一对一，也可以一对多(参考Q3)。
能否多个进程bind一个端口号呢？
理论上是可以的，按照捞鱼的4元组约束条件，只要
一个进程的Socket Pair
  • Client_Socket.local_ip =2.2.2.2;
  • Client_Socket.local_port =9999;
  • Client_Socket.peer_ip =1.1.1.1;
  • Client_Socket.peer_port =443;
另一个进程的Socket Pair
  • Client_Socket.local_ip =2.2.2.2;
  • Client_Socket.local_port =9999;
  • Client_Socket.peer_ip =8.8.8.8;
  • Client_Socket.peer_port =443;
一个连接1.1.1.1 ，另外一个连接8.8.8.8，即使使用共同的端口号9999，渔网一样可以区分出来。
但是，现实的操作系统并不允许这么做。
  • 如果2个客户端进程让操作系统分配端口号，操作系统会避免使用相同端口号。
  • 如果2个客户端进程使用bind强制绑定相同端口号9999，则第一个bind的进程会成功，第二个bind的进程会失败。背后的逻辑是，万一第二个进程连接相同服务器、相同端口号，则2者的4元组则一模一样，无法区分彼此，故拒绝！


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