目錄

基本網絡協議

TCP（傳輸控制協議）

可靠傳輸：序列號+確認應答+重傳機制

序列號（seq）

確認應答（ACK）

超時重傳

三次握手與四次揮手

三次握手（建立連接）

四次揮手（斷開連接）

Java Socket實現

服務器端

客戶端

相關API

UDP（用戶數據報協議）

傳輸特點

無連接（Connetionless）

不可靠傳輸（Unreliable）

高效輕量（Efficient & Lightweight）

工作流程

發送方

接收方

Java Socket實現

服務器端

客戶端

相關API

HTTP（超文本傳輸協議）

核心特征

應用層協議

請求-響應模式

無狀態

可擴展

媒體無關

通信流程（以目前主流的HTTP 1.1為例）

HTTP報文結構

請求報文（客戶端—>服務器）

請求方法分類

響應報文（服務器—>客戶端）

狀態碼分類

網絡協議分層模型

OSI七層模型（理論模型）

物理層

數據鏈路層

網絡層

傳輸層

會話層

表示層

應用層

TCP / IP 四層模型（實際應用）

網絡接口層

網絡層

傳輸層

應用層

關鍵概念——封裝與解封裝

封裝

解封裝

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基本網絡協議

TCP（傳輸控制協議）

TCP屬于傳輸層的協議，通過序列號，確認應答，重傳機制保證數據的可靠傳輸，在連接前通過三次揮手建立連接，在結束時通過四次揮手斷開，我們先從序列號，確認應答，重傳機制講起

可靠傳輸：序列號+確認應答+重傳機制

序列號（seq）

序列號給每個字節的數據編號（如第一個字節編號1，第二個2，以此類推），接收方通過序列號判斷數據順序，解決亂序問題

確認應答（ACK）

ack表示確認號，內容為期望接收對方下一個字節的編號，ACK=1表示ack字段有效

接收方收到數據后，會回復一個ACK報文，附帶 “期望收到的下一個序列號ack”（如收到 1-100 字節，回復ack=101），表示 “1-100 已收到，請發 101 及以后的”

超時重傳

發送方發送數據后啟動計時器，若超時未收到ACK，則認為數據丟失，重新發送該數據，解決丟包問題

三次握手與四次揮手

三次握手（建立連接）

• 第一次握手（SYN）：客戶端→服務器，發送 SYN（同步）報文，附帶一個初始序列號（如seq=100），表示 “我想和你建立連接，后續數據從 100 開始編號”。（這里SYN是TCP用于建立連接的同步位，SYN表示這是一個連接請求/應答報文）

• 第二次握手（SYN）：服務器→客戶端，發送SYN+ACK（同步 + 確認）報文，附帶自己的初始序列號（如seq=200）和對客戶端的確認號（ack=101，表示 “我收到了你的 100，下次請發 101 及以后的數據”）。

• 第三次握手：客戶端→服務器，發送ACK（確認）報文，確認號為ack=201（表示 “我收到了你的 200，下次請發 201 及以后的數據”）。

四次揮手（斷開連接）

• 第一次揮手：客戶端→服務器，發送 FIN （結束）報文，表示 “我數據發完了，想斷開”。

• 第二次揮手：服務器→客戶端，發送 ACK 報文，表示 “收到你的斷開請求，我還在處理剩余數據”。

• 第三次揮手：服務器→客戶端，發送 FIN 報文，表示 “我數據也發完了，可以斷開了”。

• 第四次揮手：客戶端→服務器，發送 ACK 報文，表示 “收到，確認斷開”。

Java Socket實現

Java Socket是對 TCP 和 UDP 協議的封裝，位于java.net包中，而TCP編程主要用到ServerSocket Socket InputStream OutputStream四個類

一般Java Socket TCP通信流程為：

服務器端

創建服務器端Socket（ServerSocket）并綁定相關端口 ->等待客戶連接（使用accept阻塞方法，連接成功就返回一個Socket對象代表與客戶端連接的專用通道）->獲取IO流讀取數據

客戶端

創建客戶端Socket，并指定host和port確定IP地址和端口號 ->連接成功后，可以通過Socket對象獲取對象的連接信息 -> 獲取IO流讀取數據

相關API

//ServerSocket構造器
ServerSocket(); //未綁定的服務器套接字，后續需要bind(SocketAddress)方法綁定
ServerSocket(int port); //指定端口號
ServerSocket(int port,int backlog); //指定端口和請求的最大對列長度
ServerSocket(int port,int backlog,InetAddress bindAddr);//指定端口號隊列長度和IP地址//ServerSocket方法
Socket accept() throws IOException; //監聽客戶端連接（阻塞方法，直到有客戶端連接）
int getLocalPort(); //返回ServerSocket綁定的端口號
void close() throws IOException; //關閉ServerSocket
void setSoTimeout(int timeout) throws SocketException; //設置ServerSocket的超時時間（毫秒）

//Socket構造器
//創建連接到指定主機和端口的Socket
Socket(String host, int port) throws UnknownHostException, IOException； 
// 高級用法：創建連接到指定主機和端口，并綁定本地IP和端口的Socket
Socket(InetAddress address,int port,IntAddress localAddr,int localPort) throws IOException;
//服務器端無需手動創建，直接使用返回值
Socket accept() throws IOException; // 監聽客戶端連接（阻塞方法，直到有客戶端連接）//Socket方法
InputStream getInputStream() throws IOException; //獲取輸入流（接收數據）
OutputStream getOutputStream() throws IOException; //獲取輸出流（發送數據）
InetAddrsss getInetAddrss(); //返回遠程服務器的IP地址
int getPort(); //返回本地端口號
InetAddress getLocalAddress()； //返回本地綁定的IP地址
int getLocalPort(); //返回本地綁定的端口號
void close() throws IOException; //關閉Socket連接
void setSoTimeout(int timeout) throw SocketException; //設置Socket超時時間（ms）

下面我們來看Java Socket編程中實現 TCP 編程的完整示例：

// 服務器端代碼
try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888)) {System.out.println("服務器啟動，監聽端口8888");try (Socket clientSocket = serverSocket.accept();BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));PrintWriter out = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true)) {String clientMessage = in.readLine();System.out.println("客戶端消息：" + clientMessage);out.println("服務器響應：" + clientMessage);} catch (IOException e) {System.err.println("處理客戶端連接時出錯：" + e.getMessage());}
} catch (IOException e) {System.err.println("啟動服務器失敗：" + e.getMessage());
}

// 客戶端代碼
try (Socket socket = new Socket("localhost", 8888); //如果要PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()))) {out.println("Hello, Server!");String response = in.readLine();System.out.println("服務器響應：" + response);} catch (UnknownHostException e) {System.err.println("主機不可達：" + e.getMessage());
} catch (IOException e) {System.err.println("通信錯誤：" + e.getMessage());
}

UDP（用戶數據報協議）

和TCP相同，UDP也是傳輸層的協議，與TCP共同構成互聯網數據傳輸的核心基礎，比較與TCP，UDP是一種無連接，不可靠，但高效的協議，常常用于滿足對實時性要求高、可容忍少量數據丟失的場景

傳輸特點

無連接（Connetionless）

通信前無需建立連接，也無需斷開連接，且發送方直接封裝數據并發送，接收方收到后直接處理，雙方無需維護連接狀態

不可靠傳輸（Unreliable）

不保證數據的到達順序，不保證數據一定送達，無流量控制和擁堵控制，可能導致接收方緩沖區溢出

高效輕量（Efficient & Lightweight）

頭部開銷小：UDP頭部僅8字節，包含源端口，目的端口，數據長度，校驗四個字段

工作流程

發送方

應用程序將數據傳遞給UDP層，UDP層加8字節頭部，形成“用戶數據報”，數據報被傳遞給 IP ，封裝成 IP 數據包后通過網絡發送

接收方

IP層接收數據包，解封裝后將UDP數據交給UDP層，UDP層校驗數據報的完整性，若校驗失敗就直接丟棄，校驗通過后，根據目的端口將數據交給對應的應用程序

Java Socket實現

服務器端

創建DatagramSocket并綁定端口，創建接收數據包DatagramPacket，然后接收客戶端數據并處理，最好基于客戶端的IP和端口創建新的DatagramPacket并發送

客戶端

創建DatagramSocket并由系統自動分配臨時端口，指定服務器IP，端口及待發送數據創建發送數據包DatagramPacket，然后用DatagramSocket對象調用send方法，創建數據接收包DatagramPacket，調用DatagramSocket對象的receive方法，最后解析packet中服務器返回的內容

相關API

// DatagramSocket是發送和接受UDP數據包的套接字，是UDP通信的基礎
// DatagramSocket構造器
DatagramSocket() throws SocketException; //創建隨機端口的UDP套接字
DatagramSocket(int port) throws SocketException; //創建綁定指定端口的UDP套接字
DatagramSocket(int port,InetAddress laddr); //指定本地地址和端口// DatagramSocket方法
void send(DatagramPacket p) throws IOException; //發送數據包
void receive(DatagramPacket p) throws IOException; //接收數據包（阻塞方法）
void close();    //關閉套接字
InetAddress getInetAddress(); //獲取連接的遠程地址（未連接時返回null）
int getPort(); //獲取綁定的本地端口

// DatagramSocket是用于封裝UDP數據包的類，包含數據內容，長度，目標地址和端口
// DatagramSocket構造器
//指定數據，長度，目標地址和端口（發送用）
DatagramPacket(byte[] buf,int length,InetAddrss address,int port);
//創建接收緩沖區（接受用）
DatagramPacket(byte[] buf,int length);//核心方法
byte[] getData(); //獲取數據
int getLength(); //獲取數據長度
void setLength(int length); //設置數據長度（用于接收時截斷）
InetAddress getAddress(); //獲取發送方/接收方的IP地址
int getPort(); //獲取綁定的本地端口

//表示IP地址，用于指定通信的目標主機 
static InetAddress getByName(String host); //通過域名或IP字符串獲取地址
static InetAddress getLocalHost() throws UnKnownHostException;//獲取本地主機地址 
String getHostAddress(); //獲取IP地址字符串 
String getHostNAme(); //獲取主機名

下面我們來看Java Socket編程中實現 TCP 編程的完整示例：

// 服務器端代碼
try (DatagramSocket socket = new DatagramSocket(9876)) { // 綁定端口9876System.out.println("UDP Server started on port 9876");while (true) {// 1. 接收客戶端數據byte[] receiveBuffer = new byte[1024];DatagramPacket receivePacket = new DatagramPacket(receiveBuffer, receiveBuffer.length);socket.receive(receivePacket); // 阻塞等待數據// 2. 解析客戶端數據String clientMessage = new String(receivePacket.getData(), 0, receivePacket.getLength());InetAddress clientAddress = receivePacket.getAddress();int clientPort = receivePacket.getPort();System.out.println("Received from " + clientAddress + ":" + clientPort + ": " + clientMessage);// 3. 發送響應給客戶端String response = "Server received: " + clientMessage;byte[] sendBuffer = response.getBytes();DatagramPacket sendPacket = new DatagramPacket(sendBuffer, sendBuffer.length, clientAddress, clientPort);socket.send(sendPacket);}}catch (Exception e) {e.printStackTrace();}

//客戶端代碼
try (DatagramSocket socket = new DatagramSocket()) { // 系統自動分配端口// 1. 準備發送數據String message = "Hello, UDP Server!";byte[] sendBuffer = message.getBytes();InetAddress serverAddress = InetAddress.getByName("localhost");int serverPort = 9876;// 2. 發送數據到服務器DatagramPacket sendPacket = new DatagramPacket(sendBuffer, sendBuffer.length, serverAddress, serverPort);socket.send(sendPacket);// 3. 接收服務器響應byte[] receiveBuffer = new byte[1024];DatagramPacket receivePacket = new DatagramPacket(receiveBuffer, receiveBuffer.length);socket.receive(receivePacket); // 阻塞等待響應// 4. 解析響應String serverResponse = new String(receivePacket.getData(), 0, receivePacket.getLength());System.out.println("Server response: " + serverResponse);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}

HTTP（超文本傳輸協議）

HTTP是互聯網中應用層的核心協議，用于規范用戶端與服務端之間超文本（HTML，圖片，視頻等）傳輸，是萬維網（WWW）的基礎，定義了數據如何被請求，傳輸和響應的規則

核心特征

應用層協議

HTTP是基于 TCP/IP 協議族，工作在IOS模型的應用層的傳輸協議

請求-響應模式

通信由客戶端主動發起請求，服務器端接收后返回響應，是典型的“客戶端-服務器”架構

無狀態

服務器不會記住用戶的信息，每次請求間無關聯

可擴展

可以自定義頭部字段，方法，狀態碼等支持功能擴展

媒體無關

可以傳輸任意類型的數據

通信流程（以目前主流的HTTP 1.1為例）

1. DNS域名解析（把網址翻譯成IP地址）

2. 建立TCP連接（打通客戶端和服務端的通道，HTTP基于TCP傳輸數據，因此發送請求前先建立TCP連接（三次連接）

3. 發送HTTP請求（向服務器發送HTTP請求報文，包含要什么資源，客戶端信息等）

4. 服務器處理請求（根據請求準備數據，提取請求行和頭部等信息，將處理結果封裝成HTTP響應報文）

5. 返回HTTP響應（返回給客戶端響應報文）

6. 瀏覽器渲染頁面（解析HTML，加載相關資源，把數據渲染成頁面）

7. 關閉或復用TCP連接（通道的后續處理）

HTTP報文結構

HTTP的報文分為兩種：客戶端向服務端發送的請求報文，服務端向客戶端發送的響應報文

報文均由“起始行+頭部+空行+體”四部分構成

請求報文（客戶端—>服務器）

#請求行
#方法 + 路徑 + 協議版本
GET /products?category=books&sort=price HTTP/1.1#頭部字段
#必選頭部指定目標服務器域名（HTTP/1.1強制要求）
Host: www.example.com
#客戶端標識（瀏覽器型號，設備信息）
User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) Chrome/114.0.0.0 Safari/537.36
#客戶端可接受的響應數據類型
Accept: application/json
#客戶端支持的壓縮算法，服務器可根據此壓縮響應主體減少傳輸量
Accept-Encoding：gzip
#請求主體的數據格式
Content-Type: application/x-www-form-urlencoded
#請求主體的字節數
Content-Length: 30
#客戶端存儲的鍵值對，用于身份驗證
Cookie: sessionid=abc123
#控制TCP連接狀態，keep-alive表示復用連接，close表示響應后關閉
Connection: keep-alive#空行
#強制分隔請求頭部和主體#請求主體
#根據Content-Type定義的格式傳輸
username=test&password=123456

請求方法分類

GET：獲取資源（如網頁、圖片），無請求主體，參數附在 URL 后（?key=value）

POST：提交數據（如表單、創建資源），參數放在請求主體中，更安全（無長度限制）

PUT：全量更新資源（如替換用戶信息），需提交完整資源數據

DELETE：刪除指定資源

HEAD：僅獲取響應頭部（用于檢查資源是否存在、更新時間等，無主體）

PATCH：部分更新資源（如僅修改用戶昵稱）

響應報文（服務器—>客戶端）

#狀態行
#HTTP版本 + 狀態碼 + 原因短語
HTTP/1.1 200 OK#頭部字段
#服務器軟件標識
Server: Nginx/1.21.0
#響應主體的數據格式及編碼
Content-Type: application/json; charset=utf-8
#響應主體
Content-Length: 68
#服務器指定的資源緩存規則
Cache-Control: max-age=3600
#服務器向客戶端設置 Cookie
Set-Cookie: user=test; Path=/; Max-Age=86400; HttpOnly
#資源的最后修改時間
Last-Modified: Tue, 29 Jul 2025 10:00:00 GMT#空行
#分隔響應頭部和主體#響應主體
#根據Content-Type定義的格式傳輸返回實際的資源數據（如HTML頁面，JSON結果，圖片二進制）
{"code": 200, "message": "success", "data": {"userId": 123, "username": "test"}} 

狀態碼分類

3 位數字，分類表示請求處理結果，核心分類： 1xx（信息性）：請求已接收，繼續處理（如100 Continue：服務器允許客戶端繼續發送主體） 2xx（成功）：請求正常處理（如200 OK：成功返回數據；204 No Content：成功但無主體） 3xx（重定向）：需客戶端進一步操作（如301 Moved Permanently：資源永久遷移；304 Not Modified：資源未更新，使用緩存） 4xx（客戶端錯誤）：請求存在問題（如400 Bad Request：請求格式錯誤；404 Not Found：資源不存在） 5xx（服務器錯誤）：服務器處理失敗（如500 Internal Server Error：服務器內部錯誤；503 Service Unavailable：服務器暫不可用）

網絡協議分層模型

了解了這么多網絡的基本協議，我們可能會產生一個疑問：這么多的網絡協議是怎么共同運轉工作的呢？

分層模型其實分為兩種：OSI七層模型 和 TCP/IP四層模型

OSI七層模型（理論模型）

OSI是國際標準化組織（ISO）提出的理論模型，將網絡通信分為 7 層，每一層都有明確的功能邊界

物理層

定義物理介質的電氣 / 機械特性，負責 “比特流”（0/1 電信號 / 光信號）的物理傳輸，一般通過網線、光纖、無線信號（WiFi）、集線器（Hub）傳輸

數據鏈路層

實現 “同一局域網內” 兩個節點的可靠通信，處理幀同步、差錯校驗、MAC 地址識別，協議有以太網協議（Ethernet）、PPP 協議，傳輸時用交換機根據 MAC 地址轉發

網絡層

實現 “跨局域網” 通信，通過 IP 地址選擇傳輸路徑（路由），解決 “數據從 A 網到 B 網怎么走”，協議有IP 協議（IPv4/IPv6）、ICMP 協議（ping 命令），由路由器根據 IP 地址選路

傳輸層

提供 “端到端” 的可靠 / 高效傳輸，區分同一設備上的不同應用（通過端口號），協議有TCP 協議（可靠）、UDP 協議（高效）

會話層

建立、管理、終止 “應用程序之間的會話”（如數據庫連接的開啟和關閉），協議有RPC 協議（遠程過程調用）

表示層

處理數據格式轉換（加密、壓縮、編碼），確保雙方應用能理解數據，如JPEG（圖片編碼）、SSL/TLS（加密）、JSON/XML（數據格式）

應用層

直接為用戶應用提供服務，定義應用間通信的具體規則，協議有HTTP（網頁）、FTP（文件傳輸）、DNS（域名解析）、SMTP（郵件）

TCP / IP 四層模型（實際應用）

OSI模型過于理想化，實際上互聯網使用的是TCP/IP模型，將7層簡化為了四層，更貼合實際開發

網絡接口層

實際上對應OSI層的物理層+數據鏈路層，用于處理硬件細節，我們在學習網絡編程時幾乎不會直接接觸

網絡層

對應的就是OSI模型的網絡層，核心功能是操作IP與路由的相關信息，如Java中就用InetAddress類來操作IP

傳輸層

對應的就是OSI模型的傳輸層，用TCP 協議（可靠）或UDP 協議（高效）提供 “端到端” 的可靠 / 高效傳輸，區分同一設備上的不同應用（通過端口號），是Java Socket編程的核心

應用層

實際上對應OSI層的會話層 + 表示層 + 應用層，用HTTP、DNS 等協議統一處理實際應用的問題，由Java Web開發總結處理

關鍵概念——封裝與解封裝

數據在網絡中傳輸時，會經歷 “封裝” 和 “解封裝” 過程，這是分層模型的核心機制：

封裝

數據從應用層向下傳遞到物理層時，每一層會在數據前添加 “頭部”（Header，含該層的控制信息，如 TCP 頭部的端口號、IP 頭部的 IP 地址），部分層還會加 “尾部”（Trailer）

解封裝

數據從物理層向上傳遞到應用層時，每一層會剝離自己添加的頭部，最終還原出原始數據

一個HTTP請求的封裝過程

應用層：HTTP報文（如GET/index.html...）↓ （向下傳輸，添加TCP頭部：源端口、目的端口80、序號等）傳輸層：TCP段（TCP頭部 + HTTP報文）↓ （向下傳輸，添加IP頭部：源IP、目的IP、TTL等）網絡層：IP數據報（IP頭部+TCP段）↓ （向下傳輸，添加以太網頭部：源MAC、目標MAC等）數據鏈路層：以太網幀（以太網頭部 + IP數據報 + 尾部校驗）↓ （轉換為電信號/光信號）物理層：比特流（01流）