网络编程的基本概念。

客户端 - 服务器网络编程模型在谈论网络编程时，我们首先需要建立一个概念，也就是我们今天的主题“客户端 - 服务器”。拿我们常用的网络购物来说，我们在手机上的每次操作，都是作为客户端向服务器发送请求，并收到响应的例子。过程如下七成七成

当一个客户端需要服务时，比如网络购物下单，它会向服务器端发送一个请求。注意，这个请求是按照双方约定的格式来发送的，以便保证服务器端是可以理解的；
服务器端收到这个请求后，会根据双方约定的格式解释它，并且以合适的方式进行操作，比如调用数据库操作来创建一个购物单；
服务器端完成处理请求之后，会给客户端发送一个响应，比如向客户端发送购物单的实际付款额，然后等待客户端的下一步操作；
客户端收到响应并进行处理，比如在手机终端上显示该购物单的实际付款额，并且让用户选择付款方式。

在网络编程中，具体到客户端 - 服务器模型时，我们经常会考虑是使用 TCP 还是 UDP，其实它们二者的区别也很简单：TCP 中连接是谁发起的，在 UDP 中报文是谁发送的。在TCP 通信中，建立连接是一个非常重要的环节。区别出客户端和服务器，本质上是因为二者编程模型是不同的。

服务器端需要在一开始就监听在一个众所周知的端口上，等待客户端发送请求，一旦有客户端连接建立，服务器端就会消耗一定的计算机资源为它服务，服务器端是需要同时为成千上万的客户端服务的。如何保证服务器端在数据量巨大的客户端访问时依然能维持效率和稳定，这也是我们讲述高性能网络编程的目的

客户端相对来说更为简单，它向服务器端的监听端口发起连接请求，连接建立之后，通过连接通路和服务器端进行通信。

还有一点需要强调的是，无论是客户端，还是服务器端，它们运行的单位都是进程（process），而不是机器。一个客户端，比如我们的手机终端，同一个时刻可以建立多个到不同服务器的连接，比如同时打游戏，上知乎，逛天猫；而服务器端更是可能在一台机器上部署运行了多个服务，比如同时开启了 SSH 服务和 HTTP 服务。

IP 和端口

正如寄邮件需要一个地址一样，在网络世界里，同样也需要地址的概念。在 TCP/IP 协议栈中，IP 用来表示网络世界的地址。

前面我们提到了，在一台计算机上是可以同时存在多个连接的，那么如何区分出不同的连接呢？这里就必须提到端口这个概念。我们拿住酒店举例子，酒店的地址是唯一的，每间房间的号码是不同的，类似的，计算机的 IP 地址是唯一的，每个连接的端口号是不同的。

端口号是一个 16 位的整数，最多为 65536。当一个客户端发起连接请求时，客户端的端口是由操作系统内核临时分配的，称为临时端口；然而，前面也提到过，服务器端的端口通常是一个众所周知的端口。

一个连接可以通过客户端 - 服务器端的 IP 和端口唯一确定，这叫做套接字对，按照下面的四元组表示：（clientaddr:clientport, serveraddr: serverport)

保留网段

一个比较常见的现象是，我们所在的单位或者组织，普遍会使用诸如 10.0.x.x 或者192.168.x.x 这样的 IP 地址，你可能会纳闷，这样的 IP 到底代表了什么呢？不同的组织使用同样的 IP 会不会导致冲突呢

背后的原因是这样的，国际标准组织在 IPv4 地址空间里面，专门划出了一些网段，这些网段不会用做公网上的 IP，而是仅仅保留做内部使用，我们把这些地址称作保留网段。

子网掩码

划分网络之前，需要区分两个概念第一是网络（network)的概念，直白的说，他表示的是这组IP共同的部分，比如在192.168.1.1~192.168.1.255这个区间，他们共同的部分是192.168.1.0

第二是主机(host)的概念，他表示的是这组IP不同的部分，上面的例子中1~255就是不同的那些部分，表示有255个可用的不同IP

列如IPv4, 192.0.2.12我们可以说前面三个bytes是子网，最后一个byte是host，或者换个方式，我们能说host为8为，子网掩码为192.0.2.0/24(255.255.255.0)

很久很久以前，有子网（subnet）的分类，在这里，一个 IPv4 地址的第一个，前两个或前三个字节是属于网络的一部分。如果你很幸运地可以拥有一个字节的网络，而另外三个字节是 host 地址，那在你的网络里，你有价值三个字节，也就是 24 个比特的主机地址，这是什么概念呢？ 2 的 24 次方，大约是一千六百万个地址左右。这是一个“Class A”（A 类）网络。

我们来看一下这张表格，表格第一行就是这样的一个 A 类网络，10 是对应的网络字节部分，主机的字节是 3，我们将一个字节的子网记作 255.0.0.0。相对的，“Class B”（B 类）的网络，网络有两个字节，而 host 只有两个字节，也就是说拥有的主机个数为 65536。“Class C”（C 类）的网络，网络有三个字节，而 host 只有一个字节，也就是说拥有的主机个数为 256。

子网掩码能接受任意个位，而不单纯是上面讨论的 8，16 或 24 个比特而已。所以你可以有一个子网掩码 255.255.255.252（二进制11111111.11111111.11111111.11111100），这个子网掩码能切出一个 30 个位的网络以及 2 个位的主机，这个网络最多有四台 host。为什么是 4 台 host 呢？因为不变的部分只有最后两位，所有的可能为 2 的 2 次方，即 4 台 host。

注意，子网掩码的格式永远都是二进制格式：前面是一连串的 1，后面跟着一连串的 0。

不过一大串的数字会有点不好用，比如像 255.192.0.0 这样的子网掩码，人们无法直观地知道有多少个 1，多少个 0，后来人们发明了新的办法，你只需要将一个斜线放在 IP 地址后面，接着用一个十进制的数字用以表示网络的位数，类似这样：192.0.2.12/30, 这样就很容易知道有 30 个 1， 2 个 0，所以主机个数为 4。

相信这个时候再去看保留网段，你应该会理解表格里的内容了。这里就不再赘述。

全球域名系统

如果每次要访问一个服务，都要记下这个服务对应的 IP 地址，无疑是一种枯燥而繁琐的事情，就像你要背下 200 多个好友的电话号码一般无聊。

此时，你应该知道我将要表达什么。对的，正如电话簿记录了好友和电话的对应关系一样，域名（DNS）也记录了网站和 IP 的对应关系

全球域名按照从大到小的结构，形成了一棵树状结构。实际访问一个域名时，是从最底层开始写起，例如 www.google.com，www.tinghua.edu.cn等。

我们观察一个域名，比如www.sfn.cn这个域名，会发现它被两个点号分割成了三个部分。其中cn为顶级域名，sfn为二级域名，www为三级域名

数据报和字节流

尽管名称是 TCP/IP 协议栈，但是从上一讲关于 OSI 和 TCP/IP 协议栈的对比中，我们看到传输层其实是有两种协议的，一种是大家广为熟悉的 TCP，而另一种就是 UDP。

TCP，又被叫做字节流套接字（Stream Socket），注意我们这里先引入套接字 socket，套接字 socket 在后面几讲中将被反复提起，因为它实际上是网络编程的核心概念。当然，UDP 也有一个类似的叫法, 数据报套接字（Datagram Socket），一般分别以“SOCK_STREAM”与“SOCK_DGRAM”分别来表示 TCP 和 UDP 套接字。

Datagram Sockets 有时称为“无连接的 sockets”（connectionless sockets）。

Stream sockets 是可靠的，双向连接的通讯串流。比如以“1-2-3”的顺序将字节流输出到套接字上，它们在另一端一定会以“1-2-3”的顺序抵达，而且不会出错

这种高质量的通信是如何办到的呢？这就是由 TCP（Transmission Control Protocol）协议完成的，TCP 通过诸如连接管理，拥塞控制，数据流与窗口管理，超时和重传等一系列精巧而详细的设计，提供了高质量的端到端的通信方式。

我们平时使用浏览器访问网页，或者在手机端用天猫 App 购物时，使用的都是字节流套接字。假如这样我们直接用TCP不就好了，哪里有UDP什么事

TCP 面向连接（如打电话要先拨号建立连接）提供可靠的服务，UDP 是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接，UDP 尽最大努力交付，即不保证可靠交付
UDP 具有较好的实时性，工作效率比 TCP 高，适用于对高速传输和实时性有较高的通信或广播通信
每一条 TCP 连接只能是一对一的，UDP 支持一对一，一对多，多对一和多对多的交互通信。
UDP 分组首部开销小，TCP 首部开销 20 字节，UDP 的首部开销小，只有 8 个字节。

事实上，UDP 在很多场景也得到了极大的应用，比如多人联网游戏、视频会议，甚至聊天室。如果你听说过 NTP，你一定很惊讶 NTP 也是用 UDP 实现的。使用 UDP 的原因，第一是速度，第二还是速度

想象一下，一个有上万人的联网游戏，如果要给每个玩家同步游戏中其他玩家的位置信息，而且丢失一两个也不会造成多大的问题，那么 UDP 是一个比较经济合算的选择。

总结

网络编程需要牢牢树立起“客户端”和“服务器”模型，两者编程的方法和框架是明显不同的。
TCP 连接是客户端 - 服务器的 IP 和端口四元组唯一确定的，IP 是一台机器在网络世界的唯一标识。
有两种截然不同的传输层协议，面向连接的“数据流”协议 TCP，以及无连接的“数据报”协议 UDP

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