网络协议
字数
2048 字
阅读时间
9 分钟
1 网络协议层次结构
网络协议按照OSI模型分层，从上到下依次为：
mermaid
graph TD
A[应用层] --> |"HTTP/HTTPS\nWebSocket\nIMAP/SMTP"| B[传输层]
B --> |"TCP\nUDP"| C[网络层]
C --> |"IP"| D[数据链路层]
D --> E[物理层]2 Socket套接字
Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层。
2.1 主要特点
- 提供统一的网络编程接口
- 支持多种传输层协议（TCP/UDP）
- 跨平台兼容性好
2.2 应用场景
- 网络应用程序开发
- 客户端-服务器架构
- 分布式系统通信
3 TCP协议
传输控制协议（Transmission Control Protocol）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。
3.1 主要特点
- 面向连接
- 可靠传输
- 有序传递
- 流量控制
- 拥塞控制
TCP三次握手
TCP建立连接需要经过三次握手过程：
第一次握手（SYN）
- 客户端发送SYN包(seq=x)到服务器
- 客户端进入SYN_SENT状态
第二次握手（SYN+ACK）
- 服务器收到SYN包
- 发送SYN+ACK包(seq=y,ACK=x+1)
- 服务器进入SYN_RECV状态
第三次握手（ACK）
- 客户端收到SYN+ACK包
- 发送ACK包(ACK=y+1)
- 双方进入ESTABLISHED状态
为什么需要三次握手？
- 防止旧的重复连接初始化造成混乱
- 同步双方序列号
- 确认双方的收发能力
TCP四次挥手
TCP连接的终止需要经过四次挥手：
第一次挥手（FIN）
- 客户端发送FIN包，停止发送数据
- 进入FIN_WAIT_1状态
第二次挥手（ACK）
- 服务器收到FIN包，发送ACK确认
- 进入CLOSE_WAIT状态
- 客户端收到ACK后进入FIN_WAIT_2状态
第三次挥手（FIN）
- 服务器发送FIN包，停止发送数据
- 服务器进入LAST_ACK状态
第四次挥手（ACK）
- 客户端收到FIN包，发送ACK确认
- 进入TIME_WAIT状态
- 等待2MSL后关闭连接
为什么需要四次挥手？
- 确保双方都能够完全关闭连接
- 防止延迟的数据包被新连接接收
- TIME_WAIT确保最后的ACK能够到达
4 UDP协议
用户数据报协议（User Datagram Protocol）是一种无连接的传输层协议。
4.1 主要特点
- 无连接
- 不可靠传输
- 快速传输
- 开销小
4.2 应用场景
- 实时游戏
- 视频直播
- DNS查询
- VoIP通话
5 IP协议
网际协议（Internet Protocol）是网络层的主要协议。
5.1 主要功能
- 网络寻址
- 路由选择
- 分片与重组
- 数据包转发
5.2 版本
IPv4
- 32位地址
- 地址资源有限
- 广泛使用
IPv6
- 128位地址
- 更大地址空间
- 更好的安全性
- 逐渐普及
6 HTTP协议
超文本传输协议（Hypertext Transfer Protocol）是应用层协议。
6.1 版本特点
HTTP/1.1
- 持久连接
- 管道化请求
- 队头阻塞问题
HTTP/2
- 多路复用
- 头部压缩
- 服务器推送
- 二进制分帧
HTTP/3
- 基于QUIC
- 改善性能
- 减少延迟
7 WebSocket协议
WebSocket是一种在单个TCP连接上进行全双工通信的协议。
7.1 主要特点
- 全双工通信
- 持久连接
- 低延迟
- 支持子协议
7.2 应用场景
- 实时聊天
- 在线游戏
- 股票行情
- 实时数据推送
8 WebRTC协议
WebRTC (Web Real-Time Communication) 是一种支持网页浏览器进行实时语音对话或视频对话的技术。
8.1 核心组件
MediaStream (getUserMedia)
- 访问摄像头和麦克风
- 捕获屏幕内容
- 音视频流控制
RTCPeerConnection
- 点对点连接建立
- NAT穿透
- 音视频传输
- 带宽适配
RTCDataChannel
- 点对点数据传输
- 支持任意数据格式
- 可选择可靠/不可靠传输
8.2 通信流程
mermaid
sequenceDiagram
participant A as 对等端A
participant S as 信令服务器
participant B as 对等端B
A->>S: 1. 创建提议(offer)
S->>B: 2. 转发提议
B->>S: 3. 创建应答(answer)
S->>A: 4. 转发应答
A->>B: 5. ICE候选者交换
B->>A: 6. ICE候选者交换
A->>B: 7. 建立P2P连接WebRTC连接建立过程
信令阶段
- 交换会话描述协议(SDP)
- 包含音视频编解码能力
- 传输协议选择
- 网络信息等
ICE候选者收集
- STUN服务器：获取公网IP和端口
- TURN服务器：作为中继服务器
- 本地候选者收集
连接建立
- ICE优先级排序
- 连接性检查
- 选择最优路径
- 建立P2P通道
8.3 主要特点
安全性
- 强制加密(DTLS/SRTP)
- 内置安全机制
- 用户授权机制
网络适应性
- 自适应比特率
- 网络质量监测
- 丢包重传机制
音视频功能
- 回声消除
- 噪声抑制
- 自动增益控制
- 动态带宽调整
8.4 应用场景
音视频通话
- 视频会议
- P2P通话
- 远程教育
实时数据传输
- 在线游戏
- 文件传输
- 远程桌面
直播推流
- 实时直播
- 多方互动
- 在线教学
8.5 优势与限制
优势：
- 无需插件
- 点对点通信
- 低延迟
- 安全性高
- 跨平台
限制：
- 浏览器兼容性
- NAT穿透复杂
- 需要信令服务器
- 连接建立时间较长
WebRTC vs WebSocket
通信模式
- WebRTC：点对点通信(P2P)
- WebSocket：客户端-服务器通信
应用场景
- WebRTC：适合音视频通话、大文件传输
- WebSocket：适合消息推送、实时数据更新
延迟性能
- WebRTC：通常延迟更低（P2P直连）
- WebSocket：经过服务器转发，延迟相对较高
实现复杂度
- WebRTC：实现复杂，需要额外的信令服务器
- WebSocket：实现相对简单
9 IMAP协议
互联网邮件访问协议（Internet Message Access Protocol）。
9.1 主要功能
- 邮件获取
- 邮件管理
- 邮件同步
- 支持离线操作
10 协议对比
10.1 TCP vs UDP
| 特性 | TCP | UDP |
|---|---|---|
| 连接性 | 面向连接 | 无连接 |
| 可靠性 | 可靠 | 不可靠 |
| 传输速度 | 较慢 | 快速 |
| 使用场景 | 文件传输、网页浏览 | 实时流媒体、游戏 |
10.2 HTTP vs WebSocket
| 特性 | HTTP | WebSocket |
|---|---|---|
| 通信方式 | 单向 | 双向 |
| 连接特点 | 短连接 | 长连接 |
| 适用场景 | 普通网页请求 | 实时数据传输 |
10.3 WebRTC vs 传统流媒体协议
| 特性 | WebRTC | RTMP | HLS |
|---|---|---|---|
| 延迟 | 极低 | 低 | 高 |
| 架构 | P2P | C/S | C/S |
| 使用场景 | 实时通话 | 直播推流 | 视频点播 |
| 浏览器支持 | 原生支持 | 需插件 | 原生支持 |
11 使用建议
数据可靠性要求高
- 选择TCP协议
- 适用于文件传输、电子邮件等
实时性要求高
- 选择UDP协议
- 适用于视频直播、在线游戏等
需要双向通信
- 选择WebSocket
- 适用于即时通讯、实时数据更新等
普通Web应用
- 使用HTTP协议
- 适用于常规网页访问、API调用等
实时音视频通信
- 选择WebRTC
- 适用于视频会议、P2P通话等
- 需要考虑浏览器兼容性
- 需要配置STUN/TURN服务器
选择流媒体协议时
- 超低延迟要求：WebRTC
- 普通直播：RTMP
- 大规模分发：HLS