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java基础（十五）计算机网络

java 2025/8/26 16:10:41

网络模型概述

为了使得多种设备能通过网络相互通信，并解决各种不同设备在网络互联中的兼容性问题，国际标准化组织（ISO）制定了开放式系统互联通信参考模型（OSI模型）。与此同时，TCP/IP模型作为实际应用中更为广泛的模型，成为了互联网的基石。本文将详细介绍OSI七层模型和TCP/IP四层模型，并深入探讨HTTP、TCP等核心协议的工作原理、常见问题及优化方法。

OSI七层模型

OSI模型是一个理论上的网络通信模型，由7个层次组成，每一层负责不同的功能：

应用层：负责为应用程序提供统一的接口，使应用程序能够使用网络服务
表示层：负责把数据转换成兼容另一个系统能识别的格式，包括数据加密、压缩等
会话层：负责建立、管理和终止表示层实体之间的通信会话
传输层：负责端到端的数据传输，提供可靠或不可靠的数据传输服务
网络层：负责数据的路由、转发和分片，实现不同网络之间的通信
数据链路层：负责数据的封帧和差错检测，以及MAC寻址
物理层：负责在物理网络中传输数据帧，定义电气特性和物理连接

由于OSI模型过于复杂且仅为理论模型，实际应用中我们更多使用TCP/IP模型。

TCP/IP模型

TCP/IP模型是互联网实际使用的网络模型，由上到下分成4层：

应用层

支持HTTP、SMTP、FTP等最终用户进程的协议，为用户提供网络服务接口。

传输层

处理主机到主机的通信，主要协议有TCP和UDP。

网络层

负责寻址和路由数据包，核心协议是IP协议。

链路层

通过物理媒介（电线、电缆或无线信道）传输数据比特。

TCP与UDP详解

TCP（传输控制协议）

TCP是一种面向连接的、可靠的传输层协议，提供以下特性：

连接管理：通过三次握手建立连接，四次挥手断开连接
可靠性：通过序列号、确认应答和超时重传机制保证数据可靠传输
流量控制：通过滑动窗口机制防止发送方过快地发送数据
拥塞控制：通过慢启动、拥塞避免等算法防止网络拥塞

// Java示例：简单的TCP客户端
import java.net.*;
import java.io.*;public class YA33_TCPClient {public static void main(String[] args) {try {Socket socket = new Socket("localhost", 8080);OutputStream out = socket.getOutputStream();PrintWriter writer = new PrintWriter(out, true);writer.println("Hello from YA33");InputStream in = socket.getInputStream();BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(in));String response = reader.readLine();System.out.println("Server response: " + response);socket.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

UDP（用户数据报协议）

UDP是一种无连接的、不可靠的传输层协议，提供以下特性：

无连接：不需要建立连接即可发送数据
不可靠：不保证数据包的顺序和可靠性
高效：头部开销小，传输效率高
适用场景：实时应用如视频流、语音通话等

// Java示例：简单的UDP客户端
import java.net.*;public class YA33_UDPClient {public static void main(String[] args) {try {DatagramSocket socket = new DatagramSocket();InetAddress address = InetAddress.getByName("localhost");byte[] sendData = "Hello from YA33".getBytes();DatagramPacket sendPacket = new DatagramPacket(sendData, sendData.length, address, 8080);socket.send(sendPacket);byte[] receiveData = new byte[1024];DatagramPacket receivePacket = new DatagramPacket(receiveData, receiveData.length);socket.receive(receivePacket);String response = new String(receivePacket.getData(), 0, receivePacket.getLength());System.out.println("Server response: " + response);socket.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

HTTP协议详解

HTTP基本概念

HTTP（超文本传输协议）是应用层协议，用于在Web浏览器和服务器之间传输超文本内容。

HTTP报文结构

HTTP报文分为请求报文和响应报文两种类型。

请求报文：

请求行：包含请求方法、请求目标（URL或URI）和HTTP协议版本
请求头部：包含关于请求的附加信息，如Host、User-Agent、Content-Type等
空行：请求头部和请求体之间用空行分隔
请求体：可选，包含请求的数据，通常用于POST请求等需要传输数据的情况

响应报文：

状态行：包含HTTP协议版本、状态码和状态信息
响应头部：包含关于响应的附加信息，如Content-Type、Content-Length等
空行：响应头部和响应体之间用空行分隔
响应体：包含响应的数据，通常是服务器返回的HTML、JSON等内容

HTTP状态码

HTTP状态码分为5大类，用于表示请求的处理结果：

HTTP请求方法

GET：请求获取指定资源，通常用于获取数据
POST：向服务器提交数据，通常用于提交表单数据或进行资源的创建
PUT：向服务器更新指定资源，通常用于更新已存在的资源
DELETE：请求服务器删除指定资源
HEAD：类似于GET请求，但只返回资源的头部信息

GET与POST的区别

根据RFC规范，GET和POST有以下区别：

语义不同：GET用于获取资源，POST用于处理资源
参数位置：GET参数在URL中，POST参数在请求体中
安全性：GET是安全且幂等的，POST是不安全且不幂等的
缓存：GET请求可以被缓存，POST请求不能被缓存
数据限制：GET有URL长度限制，POST无长度限制

HTTP长连接

HTTP协议采用"请求-应答"模式。HTTP短连接每次请求都需要建立和断开TCP连接，效率低下。HTTP长连接通过Keep-Alive机制，允许多个HTTP请求/应答使用同一个TCP连接，提高了效率。

HTTP默认端口：80
HTTPS默认端口：443

HTTPS与安全

HTTP为什么不安全

HTTP是明文传输，存在以下安全风险：

窃听风险：通信内容容易被窃取
篡改风险：内容容易被修改
冒充风险：容易伪装成合法网站

HTTPS如何解决安全问题

HTTPS在HTTP与TCP之间加入SSL/TLS协议，通过以下方式解决安全问题：

信息加密：防止数据被窃取
校验机制：防止数据被篡改
身份证书：验证服务器身份

HTTPS握手过程

HTTPS通过TLS握手建立安全连接，传统RSA算法的握手过程如下：

客户端Hello：客户端发送支持的TLS版本、随机数和密码套件列表
服务器Hello：服务器确认TLS版本、发送随机数、确认密码套件和数字证书
客户端验证：客户端验证证书，发送预主密钥（用服务器公钥加密）
服务器确认：服务器使用私钥解密预主密钥，生成会话密钥

JWT令牌

JSON Web Token（JWT）是一种跨域认证解决方案，由三部分组成：

头部（Header）：包含令牌类型和签名算法
载荷（Payload）：包含声明（用户信息等）
签名（Signature）：用于验证令牌的完整性

// Java示例：简单的JWT生成和验证
import io.jsonwebtoken.Jwts;
import io.jsonwebtoken.SignatureAlgorithm;
import io.jsonwebtoken.Claims;
import java.util.Date;public class YA33_JWTExample {private static final String SECRET_KEY = "YA33_secret_key";public static String generateToken(String username) {return Jwts.builder().setSubject(username).setIssuedAt(new Date()).setExpiration(new Date(System.currentTimeMillis() + 864000000)) // 10天.signWith(SignatureAlgorithm.HS256, SECRET_KEY).compact();}public static Claims parseToken(String token) {return Jwts.parser().setSigningKey(SECRET_KEY).parseClaimsJws(token).getBody();}
}