02-网络编程简介

12.1　网络编程简介

“程序和诗差不多，你先得把它写出来。”

——E. W. Dijkstra

使用机器构建可以通过互联网相互通信的媒介是一项复杂的任务。这需要不同的设备通过互联网进行通信、运行不同的操作系统、不同版本的应用程序，并且它们需要一组约定的规则来相互交换信息。这些通信规则被称为网络协议，设备彼此之间发送的消息被称为网络数据包。

为了分离各方面的关注度，例如可靠性、可发现性及封装性，这些协议被分成若干层，其中较高层协议堆叠在较低层协议之上。每个网络数据包由来自这些层的信息组成。当前的操作系统已经附带了网络协议堆栈的实现。在此实现中，每层都为其上方的层提供支持。

在最底层，我们有物理层和数据链路层协议，用于指定数据包如何在互联网节点之间通过电缆进行传输，以及它们如何进出计算机网卡。在此之上，我们有IP层，它采用称为IP地址的唯一ID来识别互联网上的节点。在IP层之上，我们有传输层，它采用一种为互联网上的两个进程之间提供点对点传输的协议。此层存在传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）和用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）等协议。在传输层之上，我们有应用层，它采用例如HTTP和文件传输协议（File Transfer Protocol，FTP）的协议，这两者用于构建大量的应用程序。它允许更高级别的通信，例如在移动设备上运行的聊天应用程序。整个协议栈协同工作，以促进在计算机上运行的应用程序之间的复杂交互，从而在互联网上传播。

随着越来越多的设备通过互联网连接和共享信息，分布式应用程序架构开始激增，并诞生了两种模型：分散模型，通常也称对等模型；以及集中模型，它也被称为客户端-服务端模型。其中后者更常见。本章的重点将放在构建网络应用程序的客户端-服务端模型上，特别是传输层。

在主流操作系统中，网络堆栈的传输层为开发者提供了一系列API，其名为套接字（socket）。它包括一组接口，用于在两个进程之间建立通信连接。套接字允许你在本地或远程两个进程之间传递数据，而无须开发者了解底层的网络协议。

Socket API源于伯克利软件发行版（Berkley Software Distribution，BSD）的Linux，这是第一个在1983年提供带有Socket API网络堆栈实现的操作系统。它作为当前主流操作系统中网络堆栈的参考实现。在类UNIX操作系统中，套接字遵循相同的理念，即一切都是文件，并公开文件描述符API。这意味着可以像文件一样从套接字中读取和写入数据。

注意

套接字是文件描述符（整数），它指向内核管理的进程描述符表。描述符表包含文件描述符到文件条目结构的映射，该文件条目结构包含发送到套接字的数据的实际缓冲区。

Socket API主要用于TCP/IP层。在这一层，我们创建的套接字按不同级别进行分类。

• 协议 ：根据协议，我们可以有TCP套接字或UDP套接字。TCP是一种包含状态的流协议，提供能够以可靠的方式传递消息的能力，而UDP是一种无状态且不可靠的协议。
• 通信类型 ：根据我们是与本地计算机还是远程计算机上的进程通信，可以使用互联网套接字或者UNIX域套接字。互联网套接字用于在远程计算机上的进程之间交换信息。它由 IP 地址和端口构成的元组表示。想要远程通信的两个进程必须使用IP套接字。UNIX域套接字用于本地计算机上运行的进程之间的通信。这里，它采用文件系统路径，而不是一对IP地址端口。例如，数据库会采用UNIX域套接字来公开连接端点。
• I/O模型 ：根据如何读取和写入套接字数据，我们可以创建两种套接字：阻塞套接字和非阻塞套接字。

现在我们已经了解了不少与套接字有关的信息，接下来让我们探讨一下客户端—服务端模型。在这种网络模型中，设置两台计算机互相通信一般会遵循如下流程：服务器创建套接字并在指定协议（可以是TCP或UDP）之前将其绑定到一对IP地址端口上；然后开始侦听来自客户端的连接。另外，客户端创建一个连接套接字并连接到给定的IP地址和端口。在UNIX中，进程可以使用套接字系统创建套接字。此调用返回一个文件描述符，程序可以使用该文件描述符对客户端或服务器进行读写调用。

Rust在标准库中为我们提供了net模块。这包含传输层的上述网络单元。对于TCP通信，我们有TcpStream和TcpListener类型。对于UDP通信，我们有UdpSocket类型。net模块还提供了用于正确表示v4和v6版本IP地址的数据类型。

构建可靠的网络应用程序需要考虑若干因素。如果你允许在消息交换时丢失少量数据包，则可以使用 UDP 套接字，但如果无法忍受丢包或希望按顺序传递消息，则必须使用TCP套接字。UDP传输速度很快但出现得较晚，能够满足需要最小延迟传输数据包，但允许丢失少量数据包的情况。例如视频聊天应用程序使用UDP，聊天过程中某些数据帧从视频流中丢失，其影响也不大。UDP适用于能够容忍无交付保证的情况。本章将重点讨论TCP套接字，因为它是大多数需要可靠交付的网络应用程序最常采用的协议。

另一个需要考虑的因素是，应用程序为客户提供的服务的质量和效率。从技术角度来看，这又转变为套接字I/O模型的选择问题。

注意

I/O是Input/Output的首字母缩写，是一个表意宽泛的短语，在这种情况下，它仅表示在套接字上读取和写入字节。

在阻塞和非阻塞套接字之间进行选择会改变其体系结构、编写代码的方式，以及如何扩展到客户端。阻塞套接字为用户提供的是同步I/O模型，而非阻塞套接字为用户提供的是异步I/O模型。在实现Socket API的平台上，例如UNIX，默认情况下会在阻塞模式下创建套接字。这要求主流的网络堆栈上默认的I/O模型是同步模型。接下来，让我们探讨一下这两种模型。