本章是基础概念，建议补计算机网络基础，这里不全.
[TOC]
# 1 网络，数据包，协议
**计算机网络**是多台主机和路由器通过通信信道（communication channels）连接起来的。有三个实体：
- 主机，运行程序
- 路由器，转发数据
- 通信信道可以是无线的也可以是有线的
**数据包**就是主机之间传递的信息，是字节序列，由程序构建和解释。数据包不仅有数据，还有包头包含一些转发所用的控制信息。
**协议**是数据包交换时程序的一些约定，主要是解析数据包的控制包头信息。协议是分层的，常见的也是事实标准是TCP/IP。
应用程序、协议和Socket API三者关系如下图，注意Socket的位置。
网络层，IP协议提供的是数据报服务（datagram service），使用了分组交换，每一个packet单独处理、发送。但是请注意，IP是一个best-effort协议，尽力而为的host-to-host服务，可能出现包丢失、包乱序、包重复的现象，这需要上层协议来解决。
传输层，有两种协议，可靠有连接字节流的TCP和不可靠无连接数据报的UDP。两者共同点是都使用了端口号（port number）来定位主机上的应用程序，提供的是end-to-end服务。TCP需要三次握手、四次挥手，使用TCP某种情形有点像文件I/O。但是使用UDP的应用程序需要自己来处理IP的三个问题。
# 2 关于地址（address）
通信之前必须知道对方的地址，就像邮局送信一样，知道了地址才能投递出去。确定网络中某个应用程序的位置，需要三个信息：IP地址、端口号和传输协议。
IP地址有两种：IPv4和IPv6。
## 2.1 IP地址格式
IPv4使用32位（bit）地址，常见写法是点分十进制。如```10.1.2.3```。IPv6是128位地址，通常使用32个16进制数（hex）来表示，如```2000:fdb8:0000:0000:0001:00ab:853c:39a1```，中间的0可以省略，但是只能省略一次，如果多个地方省略了0，就无法判断到底是省略了几个0，上述地址等价于```2000:fdb8::1:ab:853c:39a1```。
## 2.2 IPv4和IPv6共存
现在处于IPv4向IPv6的过渡时期，但是怪异的是，IPv6和IPv4不兼容，常见的过渡手段：双栈、隧道和翻译【这是我知道的补充知识】。双栈就是IPv4和IPv6两个协议栈共存。这是最简单的方法，但是IPv4和IPv6没法通信，各走各的路罢了。隧道得名于英吉利海峡的海底隧道，就是把汽车放在火车上过海底隧道，这里是IPv6-in-IPv4或者IPv4-in-IPv6。翻译是清华大学李星老师力推的。还有IPv4映射到IPv6，使用```::fff:IPv4 address```，这种写法很怪异，前面是hex，后面IPv4地址是点分十进制。
## 2.3 端口号
TCP和UDP都有端口号，端口号是确定主机上的应用程序的。端口号是16位无符号二进制数，共有65536个端口号，其中0是保留端口号，0~1023是系统端口（System Port），端口号从1024---49151是被注册的端口，也称为用户端口（User Port），后面49152~65536是动态分配的[^1]，具体的分配用途参加RFC6335。
## 2.4 特殊地址
- 本地回环地址（Loopback Address），分配给虚拟设备，回环接口，发出去的数据会再发给本机，用于测试IP协议安装正确性，即便没有网卡也可以使用。IPv4是```127.0.0.1```，IPv6是```0:0:0:0:0:0:0:1```，或简写```::1```。
- IPv4的私有地址（Private Address），```10.0.0.0/8```，```172.16.0.0/12```，```192.168.0.0/16```。对于NAT地址转换未尝不是一件好事。
- 链路本地地址（Link-local Address），也称自动配置（autoconfigration）地址。 它仅供于在网段，或广播域中的主机相互通信使用，路由器也不会转发这类地址。这类主机通常不需要外部互联网服务，仅有主机间相互通讯的需求。IPv4是```169.254.0.0/16```，IPv6是```FE80::/10```开头的地址。
- 多播（组播）地址（Multicast Address）。IPv4是```224.0.0.0/24```，IPv6是```FF00::/120```
# 3 关于名字（Name）
网络协议处理的是地址，而非名字。地址是二进制数，而名字是字符串，显然使用名字更方便（基于这个原因出来了NDN网络吗[smile cry]）。从名字到地址的转换使用了DNS（Domain Name System，域名系统）。
# 4 C/S架构
客户端程序发起通信请求，服务端程序被动（passively）等待并响应请求。【其实就是请求响应模型了】客户端需要知道服务器端的IP地址和端口号才能发起请求，而服务器端收到请求也便知道了客户端的IP地址和端口号。
IP地址一般是通过统一资源定位符（Universal Resource Locator，URL）并结合名字服务知道的。端口号则是由IANA（Internet Assigned Number Authority）分配的[^1]。
还有一种架构是peer-to-peer（P2P），【B/S是C/S的一种】，但是这种架构按我理解其实也是一种极端的C/S，一个peer既是server，也是client。
# 5 什么是Socket
Socket其实最早叫做Berkeley Socket出现于Unix系统上，简称Socket，是应用程序收发数据的一种抽象手段，和打开文件操作，允许程序读写一样，毕竟Unix哲学：“一切都是文件”嘛。Socket也是一种文件。
不同的协议栈有不同的Socket，这里只关注TCP/IP协议栈。这里的Socket分为Stream Socket，以及Datagram Socket。前者使用TCP，后者使用UDP。
上图描述了应用程序、Socket、协议、端口号以及主机之间的逻辑关系。
# 参考
[^1]: [Service Name and Transport Protocol Port Number Registry](https://www.iana.org/assignments/service-names-port-numbers/service-names-port-numbers.xhtml)