网络编程概念介绍

1. 前言

我们知道计算机网络就是将各种设备通过有线或无线连接在一起，这些设备有终端设备，比如 PC、手机、打印机等；还有各种网络核心设备，比如路由器、交换机、网关等。通常把网络设备叫做节点，这些节点都工作在计算机网络的 TCP/IP 参考模型之上。

链路层实现节点之间的数据转发。比如以太网协议，包含独立的以太网帧头，帧头中包含了源 MAC 地址、目标 MAC 地址，通过 MAC 地址实现节点之间的数据帧转发。

网络层也叫 Internet 协议层，主要职责就是提供端到端的网络传输，比如主机到主机的通信。网络层最重要的一个设备就是路由器，路由器的主要职责是提供路由选择和转发，将分组从源主机转发到目的主机。每台主机和路由器的每个端口都配有 IP 地址，路由器是通过 IP 地址实现分组转发的。分组在路由器之间的转发是一个逐跳转发的过程。网络层不保证分组传输的可靠性。

传输层包含两个非常重要的协议：TCP 和 UDP。TCP 是可靠传输协议，面向连接的，可以保证数据段（Segment）顺序。UDP 是不可靠传输协议，无连接的，不保证数据报（Datagram）的顺序。一台主机可以同时运行多个 TCP 或 UDP 应用程序，不同应用程序之间是通过端口号（Port）来识别。

2. IP 地址

IP 地址有 IPv4 和 IPv6 两个版本。IPv4 地址长度是 32 bit，4 个字节，每个字节是独立取值，通常用点分十进制的形式表示。例如，192.168.0.100。IPv4 地址范围是 0.0.0.0 ~ 255.255.255.255，最多包含 4294967296（2^32) 个 IP 地址。而 IPv6 的地址格式是八元组形式，比如 2001:0DB8::1428:57ab。

本节只讨论 IPv4 地址。IPv4 地址通常划分成网络 ID和主机 ID两部分。比如：

IP 地址分类划分如下：

IP 地址分类划分缺乏灵活性，对于 A 类地址来说，网络 ID 只有 2^7 = 128 个，但是主机 ID 多达 2^24 = 16777216 个，主机 ID 浪费很大。对于 C 类地址来说，网络 ID 可以有 2^21 = 2097152 个，但是主机 ID 只有 2^8 = 256 个，对于有些组织来说主机 ID 不够划分。于是 1993 年出现了 CIDR（Classless Inter-Domain Routing）的编址策略，叫做无类别域间路路由选择。

CIDR 编址是一种 IP 地址的压缩表示方式，将 IP 地址分为网络前缀和主机标识两部分，形如 A.B.C.D/L 的表示方式，L 是一个小于 32 的十进制数字，代表网络前缀占用 L 个比特，主机标识占用 32 - L 个比特。比如，200.101.80.0/20 表示网络前缀占用 20 个比特，主机标识占用 12 个比特。

在 CIDR 编址方式下，如何通过 IP 地址快速确定网络 ID 呢？是通过子网掩码来确定的。对于形如 A.B.C.D/L 的子网，子网掩码是由 L 个 bit 1 和 32 - L 个 bit 0 组成的二进制数。只要把 A.B.C.D 和子网掩码做一个按位与(&)运算，就可以得到网络 ID。可以说，形如 A.B.C.D/L 的表示，可以唯一确定一个网络 ID，我们通常把 A.B.C.D/L 表示叫做网段。你可以说 A.B.C.D/L 表示了一个网段，网段就是形如 A.B.C.D/L 的表示形式。

比如，200.101.80.0/20 网段的子网掩码的二进制形式是 11111111 11111111 11110000 00000000，十进制形式是 255.255.240.0。将 200.101.80.0 和 255.255.240.0 做按位与(&)运算，得到的网络 ID 是 200.101.80.0。

那么 IP 地址 200.101.96.1 是 200.101.80.0/20 网段的 IP 吗？我们只需要把 200.101.96.1 和 255.255.240.0 做一个按位与（&）运算，查看结果是否等于 200.101.80.0 即可。

采用 CIDR 编码方式优势如下：

• 简单灵活
• 有效利用 IP 地址空间
• 减小路由表规模。

比如 200.101.80.0/20 网段中的 IP 地址 200.101.80.100，如果按照分类，属于 C 类地址，网络 ID 占用 24 个 bit，主机 ID 占用 8 个 bit；如果采用 CIDR 方式，网络 ID 占用 20 个 bit，主机 ID 占用 12 个 bit。对于主机较多的网络，极大地提高了 IP 地址的利用率。

3. 端口号

端口号是用 16 bit 无符号整数表示的，取值范围是 0~65535，总共可以分配 65536 个端口号。端口号属于稀缺资源，是由 Internet Assigned Numbers Authority (IANA）统一管理和分配的。端口号当前分配状况：

• 0 ~ 1023
  此区间内的端口号叫做知名端口号，已经被系统或者是一些知名的服务所占用，比如：

• 1023 ~ 65535
  此区间端口号也有很多被知名的应用占有，比如：

4. 域名及域名解析

不管是 IPv4 地址，还是 IPv6 地址，都是用一串数字表示的。计算机喜欢处理数字化的 IP 地址，而我们人类并不喜欢数字，因为数字不直观、不便于记忆、不利于使用。试想一下，如果让你去记忆各大网站的 IP 地址，我相信你能记住的 IP 地址不会超过 10 个。

那么该如何化解这个尴尬呢？科学家们又发明了一套字符型的地址方案，即用主机名（Host Name）来唯一标识一台主机，主机名是用我们人类自己的语言来命名，当然目前主要是英语了。这里需要强调的是 Host Name 也可以唯一标识一台主机，是另外一套地址方案。只不过 Host Name 是方便人类使用的，而计算机还是用 IP 地址。

在互联网中，有不计其数的主机，要保证这些主机的唯一性，必须用一套统一的 Host Name 编码方案。目前应用最广泛的就是域名系统（DNS，Domain Name System），DNS 是一套分布式系统，DNS 所包含的两项最主要的工作就是：域名分配和域名解析。域名分配就是为互联网中的主机分配一个唯一的域名，域名解析就是将域名转换为IP 地址的过程。

域名是一颗树形结构，包含了许多层级：

• 根级域，是指一个无名的树根。
• 顶级域，顶级域分为 generic TLDs（gTLDs），country-code TLDs（ccTLDs）、internationalized country-code TLDs（IDN，ccTLDs）、infrastructure TLD。我们在图中列举的 net、edu、org、gov、com 是指 gTLDs，即通用顶级域。比如 .com。
• 二级域，是指顶级域的下一级。比如 .imooc。
• 子域，是指二级域以下的所有层级。其实也可以叫做三级域、四级域等。比如 www。

比如，拿 www.imooc.com 来说，.com 是顶级域；.imooc 是二级域；www 是子域。

域名是由美国非营利性机构维护的，它管理着全世界的域名系统。比如，所有的顶级域（TLD）都是由 ICANN 来规定。

域名解析是通过本地域名解析服务 Resolver 或者远程域名解析服务器获取 IP 地址的过程。

5. 小结

IP 地址可以唯一标识一台主机，Port 可以唯一标识某台主机上的某个应用程序。IP 和 Port 的组合经常叫做 Endpoint，可以唯一标识互联网中的一个应用程序。在网络编程过程中是离不开 IP 和 Port 的，所以掌握 IP 地址的划分，以及端口号的基本知识是非常有必要的。

在互联网中，域名可以唯一标识一台主机，理解域名分配、域名解析过程，对解决一些复杂网络问题有很大的帮助。