一、概述
二、計算機網路
   1.網路協議
   2.網路體系結構
三、OSI參考模型
四、TCP/IP參考模型
五、常見網路協議
   1.TCP協議
   2.UDP協議
   3.HTTP協議
六、計網常見問題
七、Java網路程式設計

一、概述

計算機網路是通過傳輸介質、通訊設施和網路通訊協議，把分散在不同地點的計算機裝置互連起來，實現資源共享和資料傳輸的系統。網路程式設計就就是編寫程式使聯網的兩個(或多個)裝置(例如計算機)之間進行資料傳輸。Java語言對網路程式設計提供了良好的支援，通過其提供的介面我們可以很方便地進行網路程式設計。下面先對網路程式設計的一些基礎知識進行介紹，最後給出使用Java語言進行網路程式設計的例項。

二、計算機網路

計算機網路20世紀60年代出現，經歷了20世紀70年代、80年代和90年代的發展，進入21世紀後，計算機網路已經成為資訊社會的基礎設施，深入到人類社會的方方面面，與人們的工作、學習和生活息息相關。

網路協議

如同人與人之間相互交流是需要遵循一定的規矩一樣，計算機之間能夠進行相互通訊是因為它們都共同遵守一定的規則，即網路協議。

網路體系結構

計算機網路是個複雜的系統，按照人們解決複雜問題的方法，把計算機網路實現的功能分到不同的層次上，層與層之間用介面連線。通訊的雙方具有相同的層次，層次實現的功能由協議資料單元(PDU)來描述。不同系統中的同一層構成對等層，對等層之間通過對等層協議進行通訊，理解彼此定義好的規則和約定。

計算機網路體系結構是計算機網路層次和協議的集合，網路體系結構對計算機網路實現的功能，以及網路協議、層次、介面和服務進行了描述，但並不涉及具體的實現。介面是同一節點內相鄰層之間交換資訊的連線處，也叫服務訪問點(SAP)。

計算機網路層次模型

三、OSI參考模型

前面我們介紹了計算機網路的體系結構，因為計算機網路是個複雜的系統，所以把計算機網路實現的功能分到不同的層次上，而計算機網路體系結構是計算機網路層次和協議的集合。那麼，計算機網路如何進行分層呢？下面先介紹的是OSI參考模型。

簡介

世界上第一個網路體系結構由IBM公司提出（1974年，SNA），以後其他公司也相繼提出自己的網路體系結構如：Digital公司的DNA，美國國防部的TCP/IP等，多種網路體系結構並存，其結果是若採用IBM的結構，只能選用IBM的產品，只能與同種結構的網路互聯。

為了促進計算機網路的發展，國際標準化組織ISO於1977年成立了一個委員會，在現有網路的基礎上，提出了不基於具體機型、作業系統或公司的網路體系結構，稱為開放系統互連參考模型，即OSI/RM (Open System Interconnection Reference Model)。OSI模型把網路通訊的工作分為7層，分別是物理層、資料鏈路層、網路層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。

OSI參考模型的7個層次

OSI模型層次功能

• 物理層

物理層處於OSI的最底層，是整個開放系統的基礎。物理層涉及通訊通道上傳輸的原始位元流(bits)，它的功能主要是為資料端裝置提供傳送資料的通路以及傳輸資料。

• 資料鏈路層

資料鏈路層的主要任務是實現計算機網路中相鄰節點之間的可靠傳輸，把原始的、有差錯的物理傳輸線路加上資料鏈路協議以後，構成邏輯上可靠的資料鏈路。需要完成的功能有鏈路管理、成幀、差錯控制以及流量控制等。其中成幀是對物理層的原始位元流進行界定，資料鏈路層也能夠對幀的丟失進行處理。

• 網路層

網路層涉及源主機節點到目的主機節點之間可靠的網路傳輸，它需要完成的功能主要包括路由選擇、網路定址、流量控制、擁塞控制、網路互連等。

• 傳輸層

傳輸層起著承上啟下的作用，涉及源端節點到目的端節點之間可靠的資訊傳輸。傳輸層需要解決跨越網路連線的建立和釋放，對底層不可靠的網路，建立連線時需要三次握手，釋放連線時需要四次揮手。

• 會話層和表示層

會話層的主要功能是負責應用程式之間建立、維持和中斷會話，同時也提供對裝置和結點之間的會話控制，協調系統和服務之間的交流，並通過提供單工、半雙工和全雙工3種不同的通訊方式，使系統和服務之間有序地進行通訊。

表示層關心所傳輸資料資訊的格式定義，其主要功能是把應用層提供的資訊變換為能夠共同理解的形式，提供字元程式碼、資料格式、控制資訊格式、加密等的統一表示。

• 應用層

應用層為OSI的最高層，是直接為應用程序提供服務的。其作用是在實現多個系統應用程序相互通訊的同時，完成一系列業務處理所需的服務。

四、TCP/IP參考模型

OSI參考模型的初衷是提供全世界範圍的計算機網路都要遵循的統一標準，但是由於存在模型和協議自身的缺陷，遲遲沒有成熟的產品推出。TCP/IP協議在實踐中不斷完善和發展取得成功，作為網路的基礎，Internet的語言，可以說沒有TCP/IP協議就沒有網際網路的今天。

簡介

TCP/IP，即Transmission Control Protocol/Internet Protocol的簡寫，中譯名為傳輸控制協議/因特網互聯協議，是Internet最基本的協議、Internet國際網際網路絡的基礎。

TCP/IP協議是一個開放的網路協議簇，它的名字主要取自最重要的網路層IP協議和傳輸層TCP協議。TCP/IP協議定義了電子裝置如何連入因特網，以及資料如何在它們之間傳輸的標準。TCP/IP參考模型採用4層的層級結構，每一層都呼叫它的下一層所提供的協議來完成自己的需求，這4個層次分別是：網路介面層、網際網路層(IP層)、傳輸層(TCP層)、應用層。

OSI 和 TCP/IP模型對比

TCP/IP模型層次功能

• 網路介面層

TCP/IP協議對網路介面層沒有給出具體的描述，網路介面層對應著物理層和資料鏈路層。

• 網際網路層 ( IP層 )

網際網路層是整個TCP/IP協議棧的核心。它的功能是把分組發往目標網路或主機。同時，為了儘快地傳送分組，可能需要沿不同的路徑同時進行分組傳遞。因此，分組到達的順序和傳送的順序可能不同，這就需要上層必須對分組進行排序。網際網路層除了需要完成路由的功能外，也可以完成將不同型別的網路（異構網）互連的任務。除此之外，網際網路層還需要完成擁塞控制的功能。　　

• 傳輸層 ( TCP層 )

TCP層負責在應用程序之間建立端到端的連線和可靠通訊，它只存在與端節點中。TCP層涉及兩個協議，TCP和UDP。其中，TCP協議提供面向連線的服務，提供按位元組流的有序、可靠傳輸，可以實現連線管理、差錯控制、流量控制、擁塞控制等。UDP協議提供無連線的服務，用於不需要或無法實現面向連線的網路應用中。

• 應用層

應用層為Internet中的各種網路應用提供服務。

五、常見網路協議

上面主要介紹了OSI參考模型和TCP/IP模型的相關內容，從下面這張圖可以看出TCP/IP協議簇中不同的層次中有著很多不同的網路協議，下面主要介紹傳輸層的TCP、UDP協議和應用層的HTTP協議。

TCP協議

• 簡介

TCP（Transmission Control Protocol ，傳輸控制協議）是面向連線的傳輸層協議。TCP層是位於IP層之上，應用層之下的中間層。不同主機的應用層之間經常需要可靠的、像管道一樣的連線，但是IP層不提供這樣的流機制，而是提供不可靠的包交換。TCP協議採用位元組流傳輸資料。

• TCP報文段格式

TCP報文段包括協議首部和資料兩部分，協議首部的固定部分有20個位元組，首部的固定部分後面是選項部分。

TCP報文段

下面是報文段首部各個欄位的含義。

1. 源埠號以及目的埠號，各佔2個位元組，埠是傳輸層和應用層的服務介面，用於尋找傳送端和接收端的程序，一般來講，通過埠號和IP地址，可以唯一確定一個TCP連線，在網路程式設計中，通常被稱為一個socket介面。
2. 序號，佔4位元組，用來標識從TCP傳送端向TCP接收端傳送的資料位元組流。
3. 確認序號，佔4位元組，包含傳送確認的一端所期望收到的下一個序號，因此，確認序號應該是上次已經成功收到資料位元組序號加1.
4. 資料偏移，佔4位，用於指出TCP首部長度，若不存在選項，則這個值為20位元組，資料偏移的最大值為60位元組。
5. 保留欄位佔6位，暫時可忽略，值全為0
6. 標誌位 URG（緊急） : 為1時表明緊急指標欄位有效 ACK（確認）：為1時表明確認號欄位有效 PSH（推送）：為1時接收方應儘快將這個報文段交給應用層 RST（復位）：為1時表明TCP連接出現故障必須重建連線 SYN（同步）：在連線建立時用來同步序號 FIN （終止）： 為1時表明傳送端資料傳送完畢要求釋放連線
7. 接收窗口占2個位元組，用於流量控制和擁塞控制，表示當前接收緩衝區的大小。在計算機網路中，通常是用接收方的接收能力的大小來控制傳送方的資料傳送量。TCP連線的一端根據緩衝區大小確定自己的接收視窗值，告訴對方，使對方可以確定傳送資料的位元組數。
8. 校驗和佔2個位元組，範圍包括首部和資料兩部分。
9. 選項是可選的，預設情況是不選。

• 三次握手與四次揮手

TCP是面向連線的協議，因此每個TCP連線都有3個階段：連線建立、資料傳送和連線釋放。連線建立經歷三個步驟，通常稱為“三次握手”。

TCP三次握手過程如下：

TCP三次握手.jpg

1. 第一次握手 客戶機發送連線請求報文段到伺服器，並進入SYN_SENT狀態，等待伺服器確認。（SYN = 1,seq=x）
2. 第二次握手 伺服器收到連線請求報文，如果同意建立連線，向客戶機發回確認報文段，併為該TCP連線分配TCP快取和變數。(SYN=1,ACK=1,seq=y,ack=x+1)。
3. 第三次握手 客戶機收到伺服器的確認報文段後，向伺服器給出確認報文段，並且也要給該連線分配快取和變數。此包傳送完畢，客戶端和伺服器進入ESTABLISHED（TCP連線成功）狀態，完成三次握手。(ACK=1,seq=x+1,ack=y+1)。

TCP四次揮手過程如下：

四次揮手.png

由於TCP連線是全雙工的，因此每個方向都必須單獨進行關閉。這原則是當一方完成它的資料傳送任務後就能傳送一個FIN來終止這個方向的連線。收到一個 FIN只意味著這一方向上沒有資料流動，一個TCP連線在收到一個FIN後仍能傳送資料。首先進行關閉的一方將執行主動關閉，而另一方執行被動關閉。

1. TCP客戶端傳送一個FIN，用來關閉客戶到伺服器的資料傳送。
2. 伺服器收到這個FIN，它發回一個ACK，確認序號為收到的序號加1。和SYN一樣，一個FIN將佔用一個序號。
3. 伺服器關閉客戶端的連線，傳送一個FIN給客戶端。
4. 客戶端發回ACK報文確認，並將確認序號設定為收到序號加1。

UDP協議

• 簡介

UDP，使用者資料報協議，英文全稱是User Datagram Protocol，它是TCP/IP協議簇中無連線的運輸層協議。

• UDP協議格式

UDP格式

從圖中可以看到，UDP協議十分簡單，它由兩部分組成：首部和資料。其中，首部僅有8個位元組，包括源埠和目的埠，長度（UDP用於資料報的長度）、校驗和。

HTTP協議

• 簡介

HTTP，超文字傳輸協議，英文全稱是Hypertext Transfer Protocol，它是網際網路上應用最為廣泛的一種網路協議。HTTP是一種應用層協議，它是基於TCP協議之上的請求/響應式的協議，即一個客戶端與伺服器建立連線後，向伺服器傳送一個請求；伺服器接到請求後，給予相應的響應資訊。HTTP協議預設的埠號為80.

現在使用的HTTP協議是HTTP/1.1版本，1997年之前採用的是HTTP1.0版本。HTTP連線在1.0版本中採用非持續連線工作方式，1.1版本採用的是持續連線工作方式，持續連線是指伺服器在傳送響應後仍然在一段時間內保持這條由TCP運輸層協議建立起來的連線，使客戶機和伺服器可以繼續在這條連線上傳輸HTTP報文。

是否採用持續連線工作方式，1.0中預設是關閉的，需要在HTTP頭加入"Connection:Keep-Alive"，才能啟用Keep-Alive。HTTP1.1中預設啟用Keep-Alive，如果加入"Connection:close"，才關閉。目前大部分瀏覽器都是用HTTP1.1協議，也就是說預設都會發起Keep-Alive的連線請求了，所以是否能完成一個完整的Keep- Alive連線就看伺服器設定情況。

• HTTP報文

HTTP協議是基於TCP協議之上的請求/響應式協議，下面主要介紹HTTP報文的格式，HTTP報文主要有請求報文和響應報文兩種。首先看請求報文的格式：

HTTP請求報文格式

HTTP請求報文由請求行、首部行和實體主體組成，由瀏覽器傳送給伺服器。上面這張圖中SP表示空格，cr lf表示回車和換行。

HTTP響應報文格式

上面這張圖是HTTP響應報文，它由狀態行、首部行和實體主體組成。下面兩張圖是在谷歌瀏覽器內訪問伺服器檢視的HTTP請求和響應。

HTTP請求報文例子

HTTP響應報文例子

• HTTP請求方法和響應狀態碼

在上面的HTTP請求報文例子中，我們可以看到請求方法是GET，這表示請求讀取由URL所標誌的資訊，除了GET，還有其它幾種常用的方法。

HTTP請求報文的一些方法

在HTTP響應報文的例子中，我們可以看到狀態碼是200，表示響應成功。下表是其它狀態碼，總共5大類，33種。

HTTP響應報文的狀態碼

HTTPS和HTTP的區別

HTTPS（全稱：Hyper Text Transfer Protocol over Secure Socket Layer），是以安全為目標的HTTP通道，簡單講是HTTP的安全版。即HTTP下加入SSL層，HTTPS的安全基礎是SSL，因此加密的詳細內容就需要SSL。它是一個URI scheme（抽象識別符號體系），句法類同http:體系。用於安全的HTTP資料傳輸。https:URL表明它使用了HTTP，但HTTPS存在不同於HTTP的預設埠及一個加密/身份驗證層（在HTTP與TCP之間）。

超文字傳輸協議HTTP協議被用於在Web瀏覽器和網站伺服器之間傳遞資訊。HTTP協議以明文方式傳送內容，不提供任何方式的資料加密，如果攻擊者截取了Web瀏覽器和網站伺服器之間的傳輸報文，就可以直接讀懂其中的資訊，因此HTTP協議不適合傳輸一些敏感資訊，比如信用卡號、密碼等。

為了解決HTTP協議的這一缺陷，需要使用另一種協議：安全套接字層超文字傳輸協議HTTPS。為了資料傳輸的安全，HTTPS在HTTP的基礎上加入了SSL協議，SSL依靠證書來驗證伺服器的身份，併為瀏覽器和伺服器之間的通訊加密。

HTTPS和HTTP的區別主要為以下四點：1、https協議需要到ca申請證書，一般免費證書很少，需要交費。2、http是超文字傳輸協議，資訊是明文傳輸，https 則是具有安全性的ssl加密傳輸協議。3、http和https使用的是完全不同的連線方式，用的埠也不一樣，前者是80，後者是443。4、http的連線很簡單，是無狀態的；HTTPS協議是由SSL+HTTP協議構建的可進行加密傳輸、身份認證的網路協議，比http協議安全。

六、常見問題

到這裡，關於計算機網路部分的總結內容就結束了，下面是幾個常見的問題，彙總在這裡。

1. OSI參考模型的分為哪幾層，每層的功能？ OSI，開放系統互連參考模型，它的7個層次自頂到下依次為應用層，表示層，會話層，傳輸層，網路層，資料鏈路層和物理層。各層的功能見文章開始。

2. TCP協議和UDP協議的區別？ TCP協議是傳輸控制協議，UDP協議是使用者資料報協議，兩者都是傳輸層的協議，主要區別在於前者是可靠的，面向連線的協議，後者是不可靠的，無連線的協議。其它的區別還有，TCP協議傳輸速度慢，UDP常用於一次性傳輸比較少量資料的網路應用。

3. TCP三次握手為什麼不能是兩次? 主要是防止兩次握手情況下已經失效的連線請求報文段突然又傳送到服務端而產生錯誤。例如，客戶機A向伺服器B傳送TCP連線請求，第一個連線請求報文在網路的某個節點長時間滯留，A超時後認為報文丟失，於是再重傳一次連線請求，B收到後建立連線。資料傳輸完畢後雙方斷開連線，而這時之前滯留的連線請求到達了服務端B，而B認為A又發來連線請求。如果兩次握手建立連線，A並無連線請求，造成B的資源浪費。

4. HTTP請求的GET方法和POST方法的區別？ GET和POST是HTTP請求的兩種方法，主要區別在於GET方法是請求讀取由URL所標誌的資訊，POST是給伺服器新增資訊。點選檢視更多

5. 在瀏覽器中輸入網址到顯示出頁面的整個過程？ (1) 輸出包含域名的網址 (2) 瀏覽器向DNS請求解析域名對應的IP地址 (3) 域名系統DNS解析出域名對應的IP地址 (4) 瀏覽器與該伺服器建立TCP連線 (5) 瀏覽器傳送HTTP請求 (6) 伺服器通過HTTP響應把頁面檔案傳送給瀏覽器 (7) TCP連線釋放 (8) 瀏覽器解釋檔案，並顯示

七、Java網路程式設計

Java的網路程式設計主要涉及到的內容是Socket程式設計，那麼什麼是Socket呢？簡單地說，Socket，套接字，就是兩臺主機之間邏輯連線的端點。TPC/IP協議是傳輸層協議，主要解決資料如何在網路中傳輸，而HTTP是應用層協議，主要解決如何包裝資料。Socket，本質上就是一組介面，是對TCP/IP協議的封裝和應用(程式設計師層面上)。

整體流程

Socket程式設計主要涉及到客戶端和伺服器端兩個方面，首先是在伺服器端建立一個伺服器套接字(ServerSocket)，並把它附加到一個埠上，伺服器從這個埠監聽連線。埠號的範圍是0到65536，但是0到1024是為特權服務保留的埠號，我們可以選擇任意一個當前沒有被其他程序使用的埠。

客戶端請求與伺服器進行連線的時候，根據伺服器的域名或者IP地址，加上埠號，開啟一個套接字。當伺服器接受連線後，伺服器和客戶端之間的通訊就像輸入輸出流一樣進行操作。

例項一

下面是一個客戶端和伺服器端進行資料互動的簡單例子，客戶端輸入正方形的邊長，伺服器端接收到後計算面積並返回給客戶端，通過這個例子可以初步對Socket程式設計有個把握。

• 伺服器端

public class SocketServer {

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        // 埠號
        int port = 7000;
        // 在埠上建立一個伺服器套接字
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port);
        // 監聽來自客戶端的連線
        Socket socket = serverSocket.accept();

        DataInputStream dis = new DataInputStream(
                new BufferedInputStream(socket.getInputStream()));

        DataOutputStream dos = new DataOutputStream(
                new BufferedOutputStream(socket.getOutputStream()));

        do {

            double length = dis.readDouble();
            System.out.println("伺服器端收到的邊長資料為：" + length);
            double result = length * length;
            dos.writeDouble(result);
            dos.flush();

        } while (dis.readInt() != 0);

        socket.close();
        serverSocket.close();
    }
}

• 客戶端

public class SocketClient {

    public static void main(String[] args) throws UnknownHostException, IOException {

        int port = 7000;

        String host = "localhost";

        // 建立一個套接字並將其連線到指定埠號
        Socket socket = new Socket(host, port);

        DataInputStream dis = new DataInputStream(
                new BufferedInputStream(socket.getInputStream()));

        DataOutputStream dos = new DataOutputStream(
                new BufferedOutputStream(socket.getOutputStream()));

        Scanner sc = new Scanner(System.in);

        boolean flag = false;

        while (!flag) {

            System.out.println("請輸入正方形的邊長:");
            double length = sc.nextDouble();

            dos.writeDouble(length);
            dos.flush();

            double area = dis.readDouble();

            System.out.println("伺服器返回的計算面積為:" + area);

            while (true) {

                System.out.println("繼續計算？(Y/N)");

                String str = sc.next();

                if (str.equalsIgnoreCase("N")) {
                    dos.writeInt(0);
                    dos.flush();
                    flag = true;
                    break;
                } else if (str.equalsIgnoreCase("Y")) {
                    dos.writeInt(1);
                    dos.flush();
                    break;
                }
            }
        }

        socket.close();
    }
}

例項二

可以看到上面的伺服器端程式和客戶端程式是一對一的關係，為了能讓一個伺服器端程式能同時為多個客戶提供服務，可以使用多執行緒機制，每個客戶端的請求都由一個獨立的執行緒進行處理。下面是改寫後的伺服器端程式。

public class SocketServerM {

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        int port = 7000;
        int clientNo = 1;

        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port);

        // 建立執行緒池
        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();

        try {

            while (true) {
                Socket socket = serverSocket.accept();
                exec.execute(new SingleServer(socket, clientNo));
                clientNo++;
            }

        } finally {
            serverSocket.close();
        }

    }
}

class SingleServer implements Runnable {

    private Socket socket;
    private int clientNo;

    public SingleServer(Socket socket, int clientNo) {
        this.socket = socket;
        this.clientNo = clientNo;
    }

    @Override
    public void run() {

        try {

            DataInputStream dis = new DataInputStream(
                    new BufferedInputStream(socket.getInputStream()));

            DataOutputStream dos = new DataOutputStream(
                    new BufferedOutputStream(socket.getOutputStream()));

            do {

                double length = dis.readDouble();
                System.out.println("從客戶端" + clientNo + "接收到的邊長資料為：" + length);
                double result = length * length;
                dos.writeDouble(result);
                dos.flush();

            } while (dis.readInt() != 0);

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println("與客戶端" + clientNo + "通訊結束");
            try {
                socket.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

上面改進後的伺服器端程式碼可以支援不斷地併發響應網路中的客戶請求。關鍵的地方在於多執行緒機制的運用，同時利用執行緒池可以改善伺服器程式的效能。