网络编程完全教程 - HTTP、WebSocket、TCP详解

前言：网络编程基础

🤔 什么是网络编程？

网络编程是指通过网络进行数据通信的编程。它涉及多台计算机之间通过网络进行数据交换。

网络编程的核心概念

协议：通信双方遵守的规则
端口：应用程序在计算机上的标识
IP地址：计算机在网络上的标识
套接字（Socket）：网络通信的端点
客户端/服务器：通信的两端

网络通信模型

C/S模型：客户端-服务器模型
P2P模型：点对点模型
发布-订阅模型：消息驱动

💡 重点：理解网络协议是网络编程的基础。

OSI模型

七层模型

第7层 - 应用层：HTTP、FTP、SMTP、DNS
第6层 - 表示层：数据加密、压缩、格式转换
第5层 - 会话层：建立、维护、终止会话
第4层 - 传输层：TCP、UDP
第3层 - 网络层：IP、ICMP、路由
第2层 - 数据链路层：MAC地址、以太网
第1层 - 物理层：光纤、电缆、无线信号

TCP/IP模型

应用层：HTTP、HTTPS、FTP、SMTP、DNS、WebSocket
传输层：TCP、UDP
网络层：IP、ICMP
链路层：以太网、PPP

TCP/IP协议

TCP（传输控制协议）

面向连接：需要建立连接
可靠性：保证数据完整性
有序性：数据按顺序传输
流量控制：防止数据丢失

TCP三次握手

客户端 -> 服务器: SYN (seq=x)
服务器 -> 客户端: SYN-ACK (seq=y, ack=x+1)
客户端 -> 服务器: ACK (seq=x+1, ack=y+1)

连接建立，开始数据传输

UDP（用户数据报协议）

无连接：不需要建立连接
不可靠：不保证数据完整性
低延迟：传输速度快
适用场景：视频、音频、在线游戏

TCP vs UDP

TCP:
- 建立连接（三次握手）
- 可靠传输
- 有序性
- 流量控制
- 适用：文件传输、邮件、Web

UDP:
- 无连接
- 快速传输
- 不保证顺序
- 适用：视频、音频、实时游戏

HTTP协议详解

HTTP请求

GET /api/users HTTP/1.1
Host: example.com
User-Agent: Mozilla/5.0
Accept: application/json
Authorization: Bearer token123

请求行：GET /api/users HTTP/1.1
请求头：Host, User-Agent, Accept, Authorization
请求体：（GET请求通常没有请求体）

HTTP响应

HTTP/1.1 200 OK
Content-Type: application/json
Content-Length: 123
Cache-Control: max-age=3600

{
    "id": 1,
    "name": "Alice"
}

状态行：HTTP/1.1 200 OK
响应头：Content-Type, Content-Length, Cache-Control
响应体：JSON数据

HTTP方法

GET：获取资源
POST：创建资源
PUT：更新资源
DELETE：删除资源
PATCH：部分更新
HEAD：获取头信息
OPTIONS：获取支持的方法

HTTP状态码

1xx：信息响应
2xx：成功（200 OK、201 Created）
3xx：重定向（301 Moved、304 Not Modified）
4xx：客户端错误（400 Bad Request、404 Not Found）
5xx：服务器错误（500 Internal Server Error）

HTTP版本演进

HTTP/1.0：基础版本，每个请求一个连接
HTTP/1.1：持久连接、管道化、缓存改进
HTTP/2：多路复用、服务器推送、头部压缩
HTTP/3：基于QUIC协议，更快更可靠

HTTPS和安全

HTTPS工作原理

客户端发送请求到服务器
服务器返回证书和公钥
客户端验证证书
客户端生成对称密钥，用公钥加密
服务器用私钥解密，获得对称密钥
双方使用对称密钥加密通信

SSL/TLS握手

客户端发送ClientHello
服务器发送ServerHello和证书
客户端验证证书
交换密钥信息
双方计算会话密钥
开始加密通信

证书管理

# 生成自签名证书
openssl req -x509 -newkey rsa:4096 -keyout key.pem -out cert.pem -days 365

# 在Node.js中使用HTTPS
const https = require('https');
const fs = require('fs');

const options = {
    key: fs.readFileSync('key.pem'),
    cert: fs.readFileSync('cert.pem')
};

https.createServer(options, (req, res) => {
    res.writeHead(200);
    res.end('Hello HTTPS!');
}).listen(443);

安全最佳实践

始终使用HTTPS
使用强加密算法
定期更新证书
启用HSTS
验证证书链

WebSocket实时通信

WebSocket握手

客户端请求：
GET /chat HTTP/1.1
Host: example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
Sec-WebSocket-Version: 13

服务器响应：
HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=

WebSocket帧格式

FIN：是否是最后一帧
opcode：帧类型（文本、二进制、控制）
MASK：是否掩码
payload length：数据长度
payload data：实际数据

WebSocket应用

// 服务器
const WebSocket = require('ws');
const wss = new WebSocket.Server({ port: 8080 });

wss.on('connection', (ws) => {
    ws.on('message', (message) => {
        // 广播给所有客户端
        wss.clients.forEach((client) => {
            if (client.readyState === WebSocket.OPEN) {
                client.send(message);
            }
        });
    });
});

// 客户端
const ws = new WebSocket('ws://localhost:8080');
ws.onmessage = (event) => {
    console.log('Message:', event.data);
};

DNS和域名解析

DNS工作流程

用户输入 example.com
浏览器查询本地DNS缓存
如果没有，查询递归解析器
递归解析器查询根域名服务器
根服务器返回顶级域名服务器地址
查询顶级域名服务器
返回权威域名服务器地址
查询权威域名服务器
返回IP地址
浏览器缓存结果并建立连接

DNS记录类型

A：IPv4地址
AAAA：IPv6地址
CNAME：别名
MX：邮件交换
NS：名称服务器
TXT：文本记录

DNS查询

// Node.js DNS查询
const dns = require('dns');

dns.resolve4('example.com', (err, addresses) => {
    if (err) throw err;
    console.log('IPv4 addresses:', addresses);
});

dns.resolveMx('example.com', (err, addresses) => {
    if (err) throw err;
    console.log('MX records:', addresses);
});

Socket编程

TCP Socket服务器

const net = require('net');

const server = net.createServer((socket) => {
    console.log('Client connected');
    
    socket.write('Welcome to the server\n');
    
    socket.on('data', (data) => {
        console.log('Received:', data.toString());
        socket.write('Echo: ' + data);
    });
    
    socket.on('end', () => {
        console.log('Client disconnected');
    });
    
    socket.on('error', (err) => {
        console.error('Error:', err);
    });
});

server.listen(3000, () => {
    console.log('Server listening on port 3000');
});

TCP Socket客户端

const net = require('net');

const client = net.createConnection(3000, 'localhost');

client.on('connect', () => {
    console.log('Connected to server');
    client.write('Hello Server\n');
});

client.on('data', (data) => {
    console.log('Received:', data.toString());
});

client.on('end', () => {
    console.log('Disconnected from server');
});

client.on('error', (err) => {
    console.error('Error:', err);
});

UDP Socket

const dgram = require('dgram');

// 服务器
const server = dgram.createSocket('udp4');

server.on('message', (msg, rinfo) => {
    console.log('Received:', msg.toString());
    server.send('Echo: ' + msg, rinfo.port, rinfo.address);
});

server.bind(3000);

// 客户端
const client = dgram.createSocket('udp4');

client.send('Hello', 3000, 'localhost', (err) => {
    if (err) throw err;
    console.log('Message sent');
});

client.on('message', (msg) => {
    console.log('Received:', msg.toString());
    client.close();
});

性能优化

连接复用

HTTP/1.1 Keep-Alive：复用TCP连接
HTTP/2 多路复用：单一连接多个流
连接池：预先建立连接

缓存策略

// 浏览器缓存
Cache-Control: public, max-age=3600

// ETag条件请求
If-None-Match: "33a64df551425fcc55e4d42a148795d9f25f89d4"

// Last-Modified
If-Modified-Since: Wed, 21 Oct 2023 07:28:00 GMT

// CDN缓存
Cache-Control: public, max-age=86400

压缩和优化

启用gzip压缩
使用HTTP/2或HTTP/3
减少DNS查询
使用CDN
合并请求
异步加载资源

实战项目：构建聊天应用

项目需求

实时消息传输
用户连接管理
消息历史
错误处理

核心实现

const express = require('express');
const http = require('http');
const WebSocket = require('ws');

const app = express();
const server = http.createServer(app);
const wss = new WebSocket.Server({ server });

const clients = new Map();

wss.on('connection', (ws) => {
    const clientId = Date.now().toString();
    clients.set(clientId, ws);
    
    console.log(`Client ${clientId} connected`);
    
    // 广播用户列表
    broadcastUserList();
    
    ws.on('message', (message) => {
        const data = JSON.parse(message);
        
        // 广播消息给所有客户端
        wss.clients.forEach((client) => {
            if (client.readyState === WebSocket.OPEN) {
                client.send(JSON.stringify({
                    type: 'message',
                    from: clientId,
                    text: data.text,
                    timestamp: new Date()
                }));
            }
        });
    });
    
    ws.on('close', () => {
        clients.delete(clientId);
        console.log(`Client ${clientId} disconnected`);
        broadcastUserList();
    });
});

function broadcastUserList() {
    const userList = Array.from(clients.keys());
    wss.clients.forEach((client) => {
        if (client.readyState === WebSocket.OPEN) {
            client.send(JSON.stringify({
                type: 'userlist',
                users: userList
            }));
        }
    });
}

server.listen(3000, () => {
    console.log('Server listening on port 3000');
});

✨ 实战总结：

通过这个项目，你学会了如何使用WebSocket构建实时通信应用。

🎉 网络编程学习完成

现在你已经掌握了网络编程的核心知识。

✅ 你现在可以：

✓ 理解网络协议和OSI模型
✓ 使用HTTP/HTTPS进行Web通信
✓ 实现WebSocket实时通信
✓ 使用Socket进行底层通信
✓ 理解DNS和域名解析
✓ 优化网络性能

🚀 下一步学习

学习网络安全和加密
学习负载均衡
学习CDN和缓存
学习网络监控和诊断

💡 建议：

网络编程是后端开发的基础。深入理解网络协议，能让你写出更高效、更安全的应用。

🌐 网络编程完全教程

📚 完整教程目录

前言：网络编程基础

🤔 什么是网络编程？

网络编程的核心概念

网络通信模型

OSI模型

七层模型

TCP/IP模型

TCP/IP协议

TCP（传输控制协议）

TCP三次握手

UDP（用户数据报协议）

TCP vs UDP

HTTP协议详解

HTTP请求

HTTP响应

HTTP方法

HTTP状态码

HTTP版本演进

HTTPS和安全

HTTPS工作原理

SSL/TLS握手

证书管理

安全最佳实践

WebSocket实时通信

WebSocket握手

WebSocket帧格式

WebSocket应用

DNS和域名解析

DNS工作流程

DNS记录类型

DNS查询

Socket编程

TCP Socket服务器

TCP Socket客户端

UDP Socket

性能优化

连接复用

缓存策略

压缩和优化

实战项目：构建聊天应用

项目需求

核心实现

🎉 网络编程学习完成

✅ 你现在可以：

🚀 下一步学习