常见网络协议：基本概念、工作方式与应用场景
本文介绍 TCP、UDP、HTTP、HTTPS、FTP、SMTP、WebSocket 和 MQTT 等常见网络协议
打开网页、发送邮件、下载文件、实时聊天，背后都是设备之间在交换数据。不同的需求要求不同的规则：数据怎么发、对方怎么解读、丢了怎么办、谁可以先开口。
常见网络协议的层次与作用
| 协议 | 层次 | 解决的问题 | 通信方式 | 通常基于 |
|---|---|---|---|---|
TCP | 传输层 | 可靠、有序地传输数据 | 字节流 | IP |
UDP | 传输层 | 以最小开销发送独立数据 | 数据报 | IP |
HTTP | 应用层 | 请求资源并返回结果 | 请求/响应 | TCP |
HTTPS | 应用层 | 给 HTTP 加上加密与身份认证 | 请求/响应 | HTTP + TLS + TCP |
FTP | 应用层 | 上传、下载和管理远程文件 | 命令 + 数据，双连接 | TCP |
SMTP | 应用层 | 提交和转发邮件 | 命令/回复 | TCP |
WebSocket | 应用层 | 在长连接上双向推送消息 | 双向消息 | HTTP 握手 + TCP |
MQTT | 应用层 | 按主题分发消息 | 发布/订阅 | 通常是 TCP |
这些协议处于不同的层次，承担的职责也不同。
TCP 和 UDP 属于传输层，主要负责数据怎样在通信双方之间传输。
HTTP、HTTPS、FTP、SMTP、WebSocket 和 MQTT 属于应用层，主要规定具体应用怎样交换信息。
HTTPS 则是经过安全保护的 HTTP，放在应用层一起介绍。
不同层次的协议通常会配合使用。例如，FTP 约定怎样上传和下载文件，TCP 为这个过程提供可靠、有序的数据传输。
TCP：可靠、有序的数据传输
TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）为应用提供可靠、有序的字节流传输，即按发送顺序交付连续的字节。
以下载图片为例：
请求下载：
下载程序与服务器建立 TCP 连接，然后请求图片。
你的电脑 → 图片服务器：请求图片
接收与保存：
服务器发送图片数据。如果中间一段丢失，接收端会暂存后续数据。发送方补传、填补缺口后，数据继续按序交付，由下载程序保存。
图片服务器 → 你的电脑：图片数据常用于文件下载、邮件传输等需要完整、有序接收数据的场景。
UDP：以数据报方式发送信息
UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）发送独立的数据报，无需先建立连接，也不自行保证送达、顺序或去重。
以实时语音为例：
发送声音：
语音程序采集、编码声音，通过 UDP 发给对方。
你的设备 → 对方设备：声音数据
接收与播放：
一段声音丢失时，后面收到的数据仍可交给语音程序。程序可以补偿缺失片段，或跳过过期内容继续播放。
对方设备内：语音程序 → 扬声器适用于实时音视频和部分游戏状态更新，因为迟到的旧数据可能已经失去价值。
与 TCP 不同，UDP 不自行补齐缺失数据；应用如果需要可靠交付，可以实现确认、重传和排序。
HTTP：通过请求与响应交换内容
HTTP（Hypertext Transfer Protocol，超文本传输协议）约定客户端怎样请求资源或提交数据，以及服务器怎样返回结果。
以网站登录的请求与响应为例：
提交请求：
浏览器向登录接口提交账号和密码。
浏览器 → 网站服务器：登录请求
返回结果：
服务器验证后返回成功或失败的结果，浏览器据此显示页面或提示。
网站服务器 → 浏览器：登录结果适用于网页访问、接口调用和文件传输。它规定的是请求与响应的规则，通信中的加密保护由下一节的 HTTPS 说明。
同一连接可以被多个请求复用，一次请求与响应不必新建一次连接。
HTTPS：为 HTTP 通信提供安全保护
HTTPS 是使用 TLS 保护的 HTTP，在传输过程中提供加密、完整性保护和身份认证。
同样以网站登录为例：
建立安全连接：
浏览器验证服务器证书，并与网站完成 TLS 安全握手。
浏览器 ⇄ 网站服务器：验证身份、协商安全参数
提交与返回：
浏览器通过受保护的连接提交账号和密码，服务器返回登录结果。
浏览器 → 网站服务器：受保护的登录请求
网站服务器 → 浏览器：受保护的响应适用于日常网站、接口访问，以及登录、支付等操作。与 HTTP 相比，增加的是通信安全保护，请求与响应的业务规则仍然延续。
FTP：上传、下载和管理文件
FTP（File Transfer Protocol，文件传输协议）约定文件上传、下载及远程目录操作。
以上传图片为例：
请求上传：
客户端连接服务器并登录，通过控制连接选择目录、发起上传。
你的电脑 ⇄ FTP 服务器：命令与回复（控制连接）
传输与确认：
图片通过数据连接上传。服务器保存文件后，通过控制连接返回结果。
你的电脑 → FTP 服务器：图片内容（数据连接）
FTP 服务器 → 你的电脑：操作结果（控制连接）适用于文件交换和远程文件管理。HTTP 也能传输文件，FTP 的典型结构则是将控制命令与文件数据分开传输。
普通 FTP 本身不提供加密保护。
SMTP：提交和转发邮件
SMTP（Simple Mail Transfer Protocol，简单邮件传输协议）负责邮件提交，以及邮件服务器之间的转发。
以小明给小红发邮件为例：
提交邮件：
客户端连接发件服务器，完成所需认证并提交邮件。
小明的邮件客户端 → 发件邮件服务器：提交邮件
转发与投递：
发件服务器向相应的收件服务器转发邮件，再由对方邮件系统投递到邮箱。
发件邮件服务器 → 收件邮件服务器：转发邮件
收件服务器内：邮件投递程序 → 小红的邮箱常用于发送个人邮件，以及包含验证码、订单信息或系统告警的通知邮件。
WebSocket：持续连接上的双向消息通信
WebSocket 在客户端与服务器之间建立持续的消息通道，双方都可以主动发送消息。
以查看订单状态为例：
建立连接：
浏览器连接订单服务器，并发送要关注的订单编号。
浏览器 ⇄ 订单服务器：建立 WebSocket 连接
浏览器 → 订单服务器：关注指定订单
接收更新：
订单出库后，服务器通过已有连接发送新状态，浏览器更新页面。
订单服务器 → 浏览器：订单已出库适用于实时聊天、状态更新和协同编辑。
如果使用普通 HTTP 接口查询订单，客户端需要发起请求获取新状态；WebSocket 则允许服务器在状态变化后主动发送消息。
MQTT：按主题发布和订阅消息
MQTT 采用发布与订阅模式，由消息服务器（Broker）将消息转发给订阅相应主题的客户端。
以手机查看客厅温度为例：
建立订阅：
传感器和手机连接 Broker，手机订阅客厅温度主题。
手机应用 → Broker：订阅客厅温度
发布与接收：
传感器向该主题发布 26.5℃，Broker 将消息转发给手机。
温度传感器 → Broker：发布温度
Broker → 手机应用：转发温度适用于智能家居、设备上报和消息分发。
多个设备可以订阅同一个温度主题。传感器只需向该主题发布消息，由 Broker 分别转发给订阅者，无需逐个联系接收设备。
总结
这些协议解决的问题不同：TCP 提供可靠、有序的传输，UDP 将所需的可靠性处理留给应用；HTTP 组织请求与响应，WebSocket 支持双方主动发送消息，MQTT 则通过主题组织消息分发。
不同职责的协议可以配合使用。例如，FTP、SMTP 规定文件和邮件怎样交换，TCP 提供底层传输；HTTPS 保留 HTTP 的请求与响应规则，通过 TLS 增加安全保护。
从业务需求理解协议的用途，从职责分工理解协议的配合，就能看清为什么采用某个协议，以及一次通信为什么会涉及多个协议。
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