目录

基本网络协议

TCP（传输控制协议）

可靠传输：序列号+确认应答+重传机制

序列号（seq）

确认应答（ACK）

超时重传

三次握手与四次挥手

三次握手（建立连接）

四次挥手（断开连接）

Java Socket实现

服务器端

客户端

相关API

UDP（用户数据报协议）

传输特点

无连接（Connetionless）

不可靠传输（Unreliable）

高效轻量（Efficient & Lightweight）

工作流程

发送方

接收方

Java Socket实现

服务器端

客户端

相关API

HTTP（超文本传输协议）

核心特征

应用层协议

请求-响应模式

无状态

可扩展

媒体无关

通信流程（以目前主流的HTTP 1.1为例）

HTTP报文结构

请求报文（客户端—>服务器）

请求方法分类

响应报文（服务器—>客户端）

状态码分类

网络协议分层模型

OSI七层模型（理论模型）

物理层

数据链路层

网络层

传输层

会话层

表示层

应用层

TCP / IP 四层模型（实际应用）

网络接口层

网络层

传输层

应用层

关键概念——封装与解封装

封装

解封装

---

基本网络协议

TCP（传输控制协议）

TCP属于传输层的协议，通过序列号，确认应答，重传机制保证数据的可靠传输，在连接前通过三次挥手建立连接，在结束时通过四次挥手断开，我们先从序列号，确认应答，重传机制讲起

可靠传输：序列号+确认应答+重传机制

序列号（seq）

序列号给每个字节的数据编号（如第一个字节编号1，第二个2，以此类推），接收方通过序列号判断数据顺序，解决乱序问题

确认应答（ACK）

ack表示确认号，内容为期望接收对方下一个字节的编号，ACK=1表示ack字段有效

接收方收到数据后，会回复一个ACK报文，附带 “期望收到的下一个序列号ack”（如收到 1-100 字节，回复ack=101），表示 “1-100 已收到，请发 101 及以后的”

超时重传

发送方发送数据后启动计时器，若超时未收到ACK，则认为数据丢失，重新发送该数据，解决丢包问题

三次握手与四次挥手

三次握手（建立连接）

• 第一次握手（SYN）：客户端→服务器，发送 SYN（同步）报文，附带一个初始序列号（如seq=100），表示 “我想和你建立连接，后续数据从 100 开始编号”。（这里SYN是TCP用于建立连接的同步位，SYN表示这是一个连接请求/应答报文）

• 第二次握手（SYN）：服务器→客户端，发送SYN+ACK（同步 + 确认）报文，附带自己的初始序列号（如seq=200）和对客户端的确认号（ack=101，表示 “我收到了你的 100，下次请发 101 及以后的数据”）。

• 第三次握手：客户端→服务器，发送ACK（确认）报文，确认号为ack=201（表示 “我收到了你的 200，下次请发 201 及以后的数据”）。

四次挥手（断开连接）

• 第一次挥手：客户端→服务器，发送 FIN （结束）报文，表示 “我数据发完了，想断开”。

• 第二次挥手：服务器→客户端，发送 ACK 报文，表示 “收到你的断开请求，我还在处理剩余数据”。

• 第三次挥手：服务器→客户端，发送 FIN 报文，表示 “我数据也发完了，可以断开了”。

• 第四次挥手：客户端→服务器，发送 ACK 报文，表示 “收到，确认断开”。

Java Socket实现

Java Socket是对 TCP 和 UDP 协议的封装，位于java.net包中，而TCP编程主要用到ServerSocket Socket InputStream OutputStream四个类

一般Java Socket TCP通信流程为：

服务器端

创建服务器端Socket（ServerSocket）并绑定相关端口 ->等待客户连接（使用accept阻塞方法，连接成功就返回一个Socket对象代表与客户端连接的专用通道）->获取IO流读取数据

客户端

创建客户端Socket，并指定host和port确定IP地址和端口号 ->连接成功后，可以通过Socket对象获取对象的连接信息 -> 获取IO流读取数据

相关API

//ServerSocket构造器
ServerSocket(); //未绑定的服务器套接字，后续需要bind(SocketAddress)方法绑定
ServerSocket(int port); //指定端口号
ServerSocket(int port,int backlog); //指定端口和请求的最大对列长度
ServerSocket(int port,int backlog,InetAddress bindAddr);//指定端口号队列长度和IP地址//ServerSocket方法
Socket accept() throws IOException; //监听客户端连接（阻塞方法，直到有客户端连接）
int getLocalPort(); //返回ServerSocket绑定的端口号
void close() throws IOException; //关闭ServerSocket
void setSoTimeout(int timeout) throws SocketException; //设置ServerSocket的超时时间（毫秒）

//Socket构造器
//创建连接到指定主机和端口的Socket
Socket(String host, int port) throws UnknownHostException, IOException； 
// 高级用法：创建连接到指定主机和端口，并绑定本地IP和端口的Socket
Socket(InetAddress address,int port,IntAddress localAddr,int localPort) throws IOException;
//服务器端无需手动创建，直接使用返回值
Socket accept() throws IOException; // 监听客户端连接（阻塞方法，直到有客户端连接）//Socket方法
InputStream getInputStream() throws IOException; //获取输入流（接收数据）
OutputStream getOutputStream() throws IOException; //获取输出流（发送数据）
InetAddrsss getInetAddrss(); //返回远程服务器的IP地址
int getPort(); //返回本地端口号
InetAddress getLocalAddress()； //返回本地绑定的IP地址
int getLocalPort(); //返回本地绑定的端口号
void close() throws IOException; //关闭Socket连接
void setSoTimeout(int timeout) throw SocketException; //设置Socket超时时间（ms）

下面我们来看Java Socket编程中实现 TCP 编程的完整示例：

// 服务器端代码
try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888)) {System.out.println("服务器启动，监听端口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("客户端消息：" + clientMessage);out.println("服务器响应：" + clientMessage);} catch (IOException e) {System.err.println("处理客户端连接时出错：" + e.getMessage());}
} catch (IOException e) {System.err.println("启动服务器失败：" + e.getMessage());
}

// 客户端代码
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("服务器响应：" + response);} catch (UnknownHostException e) {System.err.println("主机不可达：" + e.getMessage());
} catch (IOException e) {System.err.println("通信错误：" + e.getMessage());
}

UDP（用户数据报协议）

和TCP相同，UDP也是传输层的协议，与TCP共同构成互联网数据传输的核心基础，比较与TCP，UDP是一种无连接，不可靠，但高效的协议，常常用于满足对实时性要求高、可容忍少量数据丢失的场景

传输特点

无连接（Connetionless）

通信前无需建立连接，也无需断开连接，且发送方直接封装数据并发送，接收方收到后直接处理，双方无需维护连接状态

不可靠传输（Unreliable）

不保证数据的到达顺序，不保证数据一定送达，无流量控制和拥堵控制，可能导致接收方缓冲区溢出

高效轻量（Efficient & Lightweight）

头部开销小：UDP头部仅8字节，包含源端口，目的端口，数据长度，校验四个字段

工作流程

发送方

应用程序将数据传递给UDP层，UDP层加8字节头部，形成“用户数据报”，数据报被传递给 IP ，封装成 IP 数据包后通过网络发送

接收方

IP层接收数据包，解封装后将UDP数据交给UDP层，UDP层校验数据报的完整性，若校验失败就直接丢弃，校验通过后，根据目的端口将数据交给对应的应用程序

Java Socket实现

服务器端

创建DatagramSocket并绑定端口，创建接收数据包DatagramPacket，然后接收客户端数据并处理，最好基于客户端的IP和端口创建新的DatagramPacket并发送

客户端

创建DatagramSocket并由系统自动分配临时端口，指定服务器IP，端口及待发送数据创建发送数据包DatagramPacket，然后用DatagramSocket对象调用send方法，创建数据接收包DatagramPacket，调用DatagramSocket对象的receive方法，最后解析packet中服务器返回的内容

相关API

// DatagramSocket是发送和接受UDP数据包的套接字，是UDP通信的基础
// DatagramSocket构造器
DatagramSocket() throws SocketException; //创建随机端口的UDP套接字
DatagramSocket(int port) throws SocketException; //创建绑定指定端口的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; //发送数据包
void receive(DatagramPacket p) throws IOException; //接收数据包（阻塞方法）
void close();    //关闭套接字
InetAddress getInetAddress(); //获取连接的远程地址（未连接时返回null）
int getPort(); //获取绑定的本地端口

// DatagramSocket是用于封装UDP数据包的类，包含数据内容，长度，目标地址和端口
// DatagramSocket构造器
//指定数据，长度，目标地址和端口（发送用）
DatagramPacket(byte[] buf,int length,InetAddrss address,int port);
//创建接收缓冲区（接受用）
DatagramPacket(byte[] buf,int length);//核心方法
byte[] getData(); //获取数据
int getLength(); //获取数据长度
void setLength(int length); //设置数据长度（用于接收时截断）
InetAddress getAddress(); //获取发送方/接收方的IP地址
int getPort(); //获取绑定的本地端口

//表示IP地址，用于指定通信的目标主机 
static InetAddress getByName(String host); //通过域名或IP字符串获取地址
static InetAddress getLocalHost() throws UnKnownHostException;//获取本地主机地址 
String getHostAddress(); //获取IP地址字符串 
String getHostNAme(); //获取主机名

下面我们来看Java Socket编程中实现 TCP 编程的完整示例：

// 服务器端代码
try (DatagramSocket socket = new DatagramSocket(9876)) { // 绑定端口9876System.out.println("UDP Server started on port 9876");while (true) {// 1. 接收客户端数据byte[] receiveBuffer = new byte[1024];DatagramPacket receivePacket = new DatagramPacket(receiveBuffer, receiveBuffer.length);socket.receive(receivePacket); // 阻塞等待数据// 2. 解析客户端数据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. 发送响应给客户端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();}

//客户端代码
try (DatagramSocket socket = new DatagramSocket()) { // 系统自动分配端口// 1. 准备发送数据String message = "Hello, UDP Server!";byte[] sendBuffer = message.getBytes();InetAddress serverAddress = InetAddress.getByName("localhost");int serverPort = 9876;// 2. 发送数据到服务器DatagramPacket sendPacket = new DatagramPacket(sendBuffer, sendBuffer.length, serverAddress, serverPort);socket.send(sendPacket);// 3. 接收服务器响应byte[] receiveBuffer = new byte[1024];DatagramPacket receivePacket = new DatagramPacket(receiveBuffer, receiveBuffer.length);socket.receive(receivePacket); // 阻塞等待响应// 4. 解析响应String serverResponse = new String(receivePacket.getData(), 0, receivePacket.getLength());System.out.println("Server response: " + serverResponse);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}

HTTP（超文本传输协议）

HTTP是互联网中应用层的核心协议，用于规范用户端与服务端之间超文本（HTML，图片，视频等）传输，是万维网（WWW）的基础，定义了数据如何被请求，传输和响应的规则

核心特征

应用层协议

HTTP是基于 TCP/IP 协议族，工作在IOS模型的应用层的传输协议

请求-响应模式

通信由客户端主动发起请求，服务器端接收后返回响应，是典型的“客户端-服务器”架构

无状态

服务器不会记住用户的信息，每次请求间无关联

可扩展

可以自定义头部字段，方法，状态码等支持功能扩展

媒体无关

可以传输任意类型的数据

通信流程（以目前主流的HTTP 1.1为例）

1. DNS域名解析（把网址翻译成IP地址）

2. 建立TCP连接（打通客户端和服务端的通道，HTTP基于TCP传输数据，因此发送请求前先建立TCP连接（三次连接）

3. 发送HTTP请求（向服务器发送HTTP请求报文，包含要什么资源，客户端信息等）

4. 服务器处理请求（根据请求准备数据，提取请求行和头部等信息，将处理结果封装成HTTP响应报文）

5. 返回HTTP响应（返回给客户端响应报文）

6. 浏览器渲染页面（解析HTML，加载相关资源，把数据渲染成页面）

7. 关闭或复用TCP连接（通道的后续处理）

HTTP报文结构

HTTP的报文分为两种：客户端向服务端发送的请求报文，服务端向客户端发送的响应报文

报文均由“起始行+头部+空行+体”四部分构成

请求报文（客户端—>服务器）

#请求行
#方法 + 路径 + 协议版本
GET /products?category=books&sort=price HTTP/1.1#头部字段
#必选头部指定目标服务器域名（HTTP/1.1强制要求）
Host: www.example.com
#客户端标识（浏览器型号，设备信息）
User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) Chrome/114.0.0.0 Safari/537.36
#客户端可接受的响应数据类型
Accept: application/json
#客户端支持的压缩算法，服务器可根据此压缩响应主体减少传输量
Accept-Encoding：gzip
#请求主体的数据格式
Content-Type: application/x-www-form-urlencoded
#请求主体的字节数
Content-Length: 30
#客户端存储的键值对，用于身份验证
Cookie: sessionid=abc123
#控制TCP连接状态，keep-alive表示复用连接，close表示响应后关闭
Connection: keep-alive#空行
#强制分隔请求头部和主体#请求主体
#根据Content-Type定义的格式传输
username=test&password=123456

请求方法分类

GET：获取资源（如网页、图片），无请求主体，参数附在 URL 后（?key=value）

POST：提交数据（如表单、创建资源），参数放在请求主体中，更安全（无长度限制）

PUT：全量更新资源（如替换用户信息），需提交完整资源数据

DELETE：删除指定资源

HEAD：仅获取响应头部（用于检查资源是否存在、更新时间等，无主体）

PATCH：部分更新资源（如仅修改用户昵称）

响应报文（服务器—>客户端）

#状态行
#HTTP版本 + 状态码 + 原因短语
HTTP/1.1 200 OK#头部字段
#服务器软件标识
Server: Nginx/1.21.0
#响应主体的数据格式及编码
Content-Type: application/json; charset=utf-8
#响应主体
Content-Length: 68
#服务器指定的资源缓存规则
Cache-Control: max-age=3600
#服务器向客户端设置 Cookie
Set-Cookie: user=test; Path=/; Max-Age=86400; HttpOnly
#资源的最后修改时间
Last-Modified: Tue, 29 Jul 2025 10:00:00 GMT#空行
#分隔响应头部和主体#响应主体
#根据Content-Type定义的格式传输返回实际的资源数据（如HTML页面，JSON结果，图片二进制）
{"code": 200, "message": "success", "data": {"userId": 123, "username": "test"}} 

状态码分类

3 位数字，分类表示请求处理结果，核心分类： 1xx（信息性）：请求已接收，继续处理（如100 Continue：服务器允许客户端继续发送主体） 2xx（成功）：请求正常处理（如200 OK：成功返回数据；204 No Content：成功但无主体） 3xx（重定向）：需客户端进一步操作（如301 Moved Permanently：资源永久迁移；304 Not Modified：资源未更新，使用缓存） 4xx（客户端错误）：请求存在问题（如400 Bad Request：请求格式错误；404 Not Found：资源不存在） 5xx（服务器错误）：服务器处理失败（如500 Internal Server Error：服务器内部错误；503 Service Unavailable：服务器暂不可用）

网络协议分层模型

了解了这么多网络的基本协议，我们可能会产生一个疑问：这么多的网络协议是怎么共同运转工作的呢？

分层模型其实分为两种：OSI七层模型 和 TCP/IP四层模型

OSI七层模型（理论模型）

OSI是国际标准化组织（ISO）提出的理论模型，将网络通信分为 7 层，每一层都有明确的功能边界

物理层

定义物理介质的电气 / 机械特性，负责 “比特流”（0/1 电信号 / 光信号）的物理传输，一般通过网线、光纤、无线信号（WiFi）、集线器（Hub）传输

数据链路层

实现 “同一局域网内” 两个节点的可靠通信，处理帧同步、差错校验、MAC 地址识别，协议有以太网协议（Ethernet）、PPP 协议，传输时用交换机根据 MAC 地址转发

网络层

实现 “跨局域网” 通信，通过 IP 地址选择传输路径（路由），解决 “数据从 A 网到 B 网怎么走”，协议有IP 协议（IPv4/IPv6）、ICMP 协议（ping 命令），由路由器根据 IP 地址选路

传输层

提供 “端到端” 的可靠 / 高效传输，区分同一设备上的不同应用（通过端口号），协议有TCP 协议（可靠）、UDP 协议（高效）

会话层

建立、管理、终止 “应用程序之间的会话”（如数据库连接的开启和关闭），协议有RPC 协议（远程过程调用）

表示层

处理数据格式转换（加密、压缩、编码），确保双方应用能理解数据，如JPEG（图片编码）、SSL/TLS（加密）、JSON/XML（数据格式）

应用层

直接为用户应用提供服务，定义应用间通信的具体规则，协议有HTTP（网页）、FTP（文件传输）、DNS（域名解析）、SMTP（邮件）

TCP / IP 四层模型（实际应用）

OSI模型过于理想化，实际上互联网使用的是TCP/IP模型，将7层简化为了四层，更贴合实际开发

网络接口层

实际上对应OSI层的物理层+数据链路层，用于处理硬件细节，我们在学习网络编程时几乎不会直接接触

网络层

对应的就是OSI模型的网络层，核心功能是操作IP与路由的相关信息，如Java中就用InetAddress类来操作IP

传输层

对应的就是OSI模型的传输层，用TCP 协议（可靠）或UDP 协议（高效）提供 “端到端” 的可靠 / 高效传输，区分同一设备上的不同应用（通过端口号），是Java Socket编程的核心

应用层

实际上对应OSI层的会话层 + 表示层 + 应用层，用HTTP、DNS 等协议统一处理实际应用的问题，由Java Web开发总结处理

关键概念——封装与解封装

数据在网络中传输时，会经历 “封装” 和 “解封装” 过程，这是分层模型的核心机制：

封装

数据从应用层向下传递到物理层时，每一层会在数据前添加 “头部”（Header，含该层的控制信息，如 TCP 头部的端口号、IP 头部的 IP 地址），部分层还会加 “尾部”（Trailer）

解封装

数据从物理层向上传递到应用层时，每一层会剥离自己添加的头部，最终还原出原始数据

一个HTTP请求的封装过程

应用层：HTTP报文（如GET/index.html...）↓ （向下传输，添加TCP头部：源端口、目的端口80、序号等）传输层：TCP段（TCP头部 + HTTP报文）↓ （向下传输，添加IP头部：源IP、目的IP、TTL等）网络层：IP数据报（IP头部+TCP段）↓ （向下传输，添加以太网头部：源MAC、目标MAC等）数据链路层：以太网帧（以太网头部 + IP数据报 + 尾部校验）↓ （转换为电信号/光信号）物理层：比特流（01流）