HTTP協(xié)議入門
HTTP 協(xié)議是互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)協(xié)議，也是網(wǎng)頁(yè)開發(fā)的必備知識(shí)，***版本 HTTP/2 更是讓它成為技術(shù)熱點(diǎn)。
本文介紹 HTTP 協(xié)議的歷史演變和設(shè)計(jì)思路。
一、HTTP/0.9
HTTP 是基于 TCP/IP 協(xié)議的應(yīng)用層協(xié)議。它不涉及數(shù)據(jù)包(packet)傳輸，主要規(guī)定了客戶端和服務(wù)器之間的通信格式，默認(rèn)使用80端口。
最早版本是1991年發(fā)布的0.9版。該版本極其簡(jiǎn)單，只有一個(gè)命令GET。
- GET /index.html
上面命令表示，TCP 連接(connection)建立后，客戶端向服務(wù)器請(qǐng)求(request)網(wǎng)頁(yè)index.html。
協(xié)議規(guī)定，服務(wù)器只能回應(yīng)HTML格式的字符串，不能回應(yīng)別的格式。
- <html>
- <body>Hello World</body>
- </html>
服務(wù)器發(fā)送完畢，就關(guān)閉TCP連接。
二、HTTP/1.0
2.1 簡(jiǎn)介
1996年5月，HTTP/1.0 版本發(fā)布，內(nèi)容大大增加。
首先，任何格式的內(nèi)容都可以發(fā)送。這使得互聯(lián)網(wǎng)不僅可以傳輸文字，還能傳輸圖像、視頻、二進(jìn)制文件。這為互聯(lián)網(wǎng)的大發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
其次，除了GET命令，還引入了POST命令和HEAD命令，豐富了瀏覽器與服務(wù)器的互動(dòng)手段。
再次，HTTP請(qǐng)求和回應(yīng)的格式也變了。除了數(shù)據(jù)部分，每次通信都必須包括頭信息(HTTP header)，用來(lái)描述一些元數(shù)據(jù)。
其他的新增功能還包括狀態(tài)碼(status code)、多字符集支持、多部分發(fā)送(multi-part type)、權(quán)限(authorization)、緩存(cache)、內(nèi)容編碼(content encoding)等。
2.2 請(qǐng)求格式
下面是一個(gè)1.0版的HTTP請(qǐng)求的例子。
- GET / HTTP/1.0
- User-Agent: Mozilla/5.0 (Macintosh; Intel Mac OS X 10_10_5)
- Accept: */*
可以看到，這個(gè)格式與0.9版有很大變化。
***行是請(qǐng)求命令，必須在尾部添加協(xié)議版本(HTTP/1.0)。后面就是多行頭信息，描述客戶端的情況。
2.3 回應(yīng)格式
服務(wù)器的回應(yīng)如下。
- HTTP/1.0 200 OK
- Content-Type: text/plain
- Content-Length: 137582
- Expires: Thu, 05 Dec 1997 16:00:00 GMT
- Last-Modified: Wed, 5 August 1996 15:55:28 GMT
- Server: Apache 0.84
- <html>
- <body>Hello World</body>
- </html>
回應(yīng)的格式是”頭信息 + 一個(gè)空行(\r\n) + 數(shù)據(jù)”。其中，***行是”協(xié)議版本 + 狀態(tài)碼(status code) + 狀態(tài)描述”。
2.4 Content-Type 字段
關(guān)于字符的編碼，1.0版規(guī)定，頭信息必須是 ASCII 碼，后面的數(shù)據(jù)可以是任何格式。因此，服務(wù)器回應(yīng)的時(shí)候，必須告訴客戶端，數(shù)據(jù)是什么格式，這就是Content-Type字段的作用。
下面是一些常見的Content-Type字段的值。
- text/plain
- text/html
- text/css
- image/jpeg
- image/png
- image/svg+xml
- audio/mp4
- video/mp4
- application/javascript
- application/pdf
- application/zip
- application/atom+xml
這些數(shù)據(jù)類型總稱為MIME type，每個(gè)值包括一級(jí)類型和二級(jí)類型，之間用斜杠分隔。
除了預(yù)定義的類型，廠商也可以自定義類型。
- application/vnd.debian.binary-package
上面的類型表明，發(fā)送的是Debian系統(tǒng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)包。
MIME type還可以在尾部使用分號(hào)，添加參數(shù)。
- Content-Type: text/html; charset=utf-8
上面的類型表明，發(fā)送的是網(wǎng)頁(yè)，而且編碼是UTF-8。
客戶端請(qǐng)求的時(shí)候，可以使用Accept字段聲明自己可以接受哪些數(shù)據(jù)格式。
- Accept: */*
上面代碼中，客戶端聲明自己可以接受任何格式的數(shù)據(jù)。
MIME type不僅用在HTTP協(xié)議，還可以用在其他地方，比如HTML網(wǎng)頁(yè)。
- <meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=UTF-8" />
- <!-- 等同于 -->
- <meta charset="utf-8" />
2.5 Content-Encoding 字段
由于發(fā)送的數(shù)據(jù)可以是任何格式，因此可以把數(shù)據(jù)壓縮后再發(fā)送。Content-Encoding字段說(shuō)明數(shù)據(jù)的壓縮方法。
- Content-Encoding: gzip
- Content-Encoding: compress
- Content-Encoding: deflate
客戶端在請(qǐng)求時(shí)，用Accept-Encoding字段說(shuō)明自己可以接受哪些壓縮方法。
- Accept-Encoding: gzip, deflate
2.6 缺點(diǎn)
HTTP/1.0 版的主要缺點(diǎn)是，每個(gè)TCP連接只能發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求。發(fā)送數(shù)據(jù)完畢，連接就關(guān)閉，如果還要請(qǐng)求其他資源，就必須再新建一個(gè)連接。
TCP連接的新建成本很高，因?yàn)樾枰蛻舳撕头?wù)器三次握手，并且開始時(shí)發(fā)送速率較慢(slow start)。所以，HTTP 1.0版本的性能比較差。隨著網(wǎng)頁(yè)加載的外部資源越來(lái)越多，這個(gè)問(wèn)題就愈發(fā)突出了。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，有些瀏覽器在請(qǐng)求時(shí)，用了一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)的Connection字段。
- Connection: keep-alive
這個(gè)字段要求服務(wù)器不要關(guān)閉TCP連接，以便其他請(qǐng)求復(fù)用。服務(wù)器同樣回應(yīng)這個(gè)字段。
- Connection: keep-alive
一個(gè)可以復(fù)用的TCP連接就建立了，直到客戶端或服務(wù)器主動(dòng)關(guān)閉連接。但是，這不是標(biāo)準(zhǔn)字段，不同實(shí)現(xiàn)的行為可能不一致，因此不是根本的解決辦法。
三、HTTP/1.1
1997年1月，HTTP/1.1 版本發(fā)布，只比 1.0 版本晚了半年。它進(jìn)一步完善了 HTTP 協(xié)議，一直用到了20年后的今天，直到現(xiàn)在還是***的版本。
3.1 持久連接
1.1 版的***變化，就是引入了持久連接(persistent connection)，即TCP連接默認(rèn)不關(guān)閉，可以被多個(gè)請(qǐng)求復(fù)用，不用聲明Connection: keep-alive。
客戶端和服務(wù)器發(fā)現(xiàn)對(duì)方一段時(shí)間沒有活動(dòng)，就可以主動(dòng)關(guān)閉連接。不過(guò)，規(guī)范的做法是，客戶端在***一個(gè)請(qǐng)求時(shí)，發(fā)送Connection: close，明確要求服務(wù)器關(guān)閉TCP連接。
- Connection: close
目前，對(duì)于同一個(gè)域名，大多數(shù)瀏覽器允許同時(shí)建立6個(gè)持久連接。
3.2 管道機(jī)制
1.1 版還引入了管道機(jī)制(pipelining)，即在同一個(gè)TCP連接里面，客戶端可以同時(shí)發(fā)送多個(gè)請(qǐng)求。這樣就進(jìn)一步改進(jìn)了HTTP協(xié)議的效率。
舉例來(lái)說(shuō)，客戶端需要請(qǐng)求兩個(gè)資源。以前的做法是，在同一個(gè)TCP連接里面，先發(fā)送A請(qǐng)求，然后等待服務(wù)器做出回應(yīng)，收到后再發(fā)出B請(qǐng)求。管道機(jī)制則是允許瀏覽器同時(shí)發(fā)出A請(qǐng)求和B請(qǐng)求，但是服務(wù)器還是按照順序，先回應(yīng)A請(qǐng)求，完成后再回應(yīng)B請(qǐng)求。
3.3 Content-Length 字段
一個(gè)TCP連接現(xiàn)在可以傳送多個(gè)回應(yīng)，勢(shì)必就要有一種機(jī)制，區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)包是屬于哪一個(gè)回應(yīng)的。這就是Content-length字段的作用，聲明本次回應(yīng)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。
- Content-Length: 3495
上面代碼告訴瀏覽器，本次回應(yīng)的長(zhǎng)度是3495個(gè)字節(jié)，后面的字節(jié)就屬于下一個(gè)回應(yīng)了。
在1.0版中，Content-Length字段不是必需的，因?yàn)闉g覽器發(fā)現(xiàn)服務(wù)器關(guān)閉了TCP連接，就表明收到的數(shù)據(jù)包已經(jīng)全了。
3.4 分塊傳輸編碼
使用Content-Length字段的前提條件是，服務(wù)器發(fā)送回應(yīng)之前，必須知道回應(yīng)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。
對(duì)于一些很耗時(shí)的動(dòng)態(tài)操作來(lái)說(shuō)，這意味著，服務(wù)器要等到所有操作完成，才能發(fā)送數(shù)據(jù)，顯然這樣的效率不高。更好的處理方法是，產(chǎn)生一塊數(shù)據(jù)，就發(fā)送一塊，采用”流模式”(stream)取代”緩存模式”(buffer)。
因此，1.1版規(guī)定可以不使用Content-Length字段，而使用“分塊傳輸編碼”(chunked transfer encoding)。只要請(qǐng)求或回應(yīng)的頭信息有Transfer-Encoding字段，就表明回應(yīng)將由數(shù)量未定的數(shù)據(jù)塊組成。
- Transfer-Encoding: chunked
每個(gè)非空的數(shù)據(jù)塊之前，會(huì)有一個(gè)16進(jìn)制的數(shù)值，表示這個(gè)塊的長(zhǎng)度。***是一個(gè)大小為0的塊，就表示本次回應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送完了。下面是一個(gè)例子。
- HTTP/1.1 200 OK
- Content-Type: text/plain
- Transfer-Encoding: chunked
- 25
- This is the data in the first chunk
- 1C
- and this is the second one
- 3
- con
- 8
- sequence
- 0
3.5 其他功能
1.1版還新增了許多動(dòng)詞方法：PUT、PATCH、HEAD、 OPTIONS、DELETE。
另外，客戶端請(qǐng)求的頭信息新增了Host字段，用來(lái)指定服務(wù)器的域名。
- Host: www.example.com
有了Host字段，就可以將請(qǐng)求發(fā)往同一臺(tái)服務(wù)器上的不同網(wǎng)站，為虛擬主機(jī)的興起打下了基礎(chǔ)。
3.6 缺點(diǎn)
雖然1.1版允許復(fù)用TCP連接，但是同一個(gè)TCP連接里面，所有的數(shù)據(jù)通信是按次序進(jìn)行的。服務(wù)器只有處理完一個(gè)回應(yīng)，才會(huì)進(jìn)行下一個(gè)回應(yīng)。要是前面的回應(yīng)特別慢，后面就會(huì)有許多請(qǐng)求排隊(duì)等著。這稱為“隊(duì)頭堵塞”(Head-of-line blocking)。
為了避免這個(gè)問(wèn)題，只有兩種方法：一是減少請(qǐng)求數(shù)，二是同時(shí)多開持久連接。這導(dǎo)致了很多的網(wǎng)頁(yè)優(yōu)化技巧，比如合并腳本和樣式表、將圖片嵌入CSS代碼、域名分片(domain sharding)等等。如果HTTP協(xié)議設(shè)計(jì)得更好一些，這些額外的工作是可以避免的。
四、SPDY 協(xié)議
2009年，谷歌公開了自行研發(fā)的 SPDY 協(xié)議，主要解決 HTTP/1.1 效率不高的問(wèn)題。
這個(gè)協(xié)議在Chrome瀏覽器上證明可行以后，就被當(dāng)作 HTTP/2 的基礎(chǔ)，主要特性都在 HTTP/2 之中得到繼承。
五、HTTP/2
2015年，HTTP/2 發(fā)布。它不叫 HTTP/2.0，是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)委員會(huì)不打算再發(fā)布子版本了，下一個(gè)新版本將是 HTTP/3。
5.1 二進(jìn)制協(xié)議
HTTP/1.1 版的頭信息肯定是文本(ASCII編碼)，數(shù)據(jù)體可以是文本，也可以是二進(jìn)制。HTTP/2 則是一個(gè)徹底的二進(jìn)制協(xié)議，頭信息和數(shù)據(jù)體都是二進(jìn)制，并且統(tǒng)稱為”幀”(frame)：頭信息幀和數(shù)據(jù)幀。
二進(jìn)制協(xié)議的一個(gè)好處是，可以定義額外的幀。HTTP/2 定義了近十種幀，為將來(lái)的高級(jí)應(yīng)用打好了基礎(chǔ)。如果使用文本實(shí)現(xiàn)這種功能，解析數(shù)據(jù)將會(huì)變得非常麻煩，二進(jìn)制解析則方便得多。
5.2 多工
HTTP/2 復(fù)用TCP連接，在一個(gè)連接里，客戶端和瀏覽器都可以同時(shí)發(fā)送多個(gè)請(qǐng)求或回應(yīng)，而且不用按照順序一一對(duì)應(yīng)，這樣就避免了”隊(duì)頭堵塞”。
舉例來(lái)說(shuō)，在一個(gè)TCP連接里面，服務(wù)器同時(shí)收到了A請(qǐng)求和B請(qǐng)求，于是先回應(yīng)A請(qǐng)求，結(jié)果發(fā)現(xiàn)處理過(guò)程非常耗時(shí)，于是就發(fā)送A請(qǐng)求已經(jīng)處理好的部分， 接著回應(yīng)B請(qǐng)求，完成后，再發(fā)送A請(qǐng)求剩下的部分。
這樣雙向的、實(shí)時(shí)的通信，就叫做多工(Multiplexing)。
5.3 數(shù)據(jù)流
因?yàn)?HTTP/2 的數(shù)據(jù)包是不按順序發(fā)送的，同一個(gè)連接里面連續(xù)的數(shù)據(jù)包，可能屬于不同的回應(yīng)。因此，必須要對(duì)數(shù)據(jù)包做標(biāo)記，指出它屬于哪個(gè)回應(yīng)。
HTTP/2 將每個(gè)請(qǐng)求或回應(yīng)的所有數(shù)據(jù)包，稱為一個(gè)數(shù)據(jù)流(stream)。每個(gè)數(shù)據(jù)流都有一個(gè)***的編號(hào)。數(shù)據(jù)包發(fā)送的時(shí)候，都必須標(biāo)記數(shù)據(jù)流ID，用來(lái)區(qū)分它屬于哪個(gè)數(shù)據(jù)流。另外還規(guī)定，客戶端發(fā)出的數(shù)據(jù)流，ID一律為奇數(shù)，服務(wù)器發(fā)出的，ID為偶數(shù)。
數(shù)據(jù)流發(fā)送到一半的時(shí)候，客戶端和服務(wù)器都可以發(fā)送信號(hào)(RST_STREAM幀)，取消這個(gè)數(shù)據(jù)流。1.1版取消數(shù)據(jù)流的唯一方法，就是關(guān)閉TCP連接。這就是說(shuō)，HTTP/2 可以取消某一次請(qǐng)求，同時(shí)保證TCP連接還打開著，可以被其他請(qǐng)求使用。
客戶端還可以指定數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級(jí)。優(yōu)先級(jí)越高，服務(wù)器就會(huì)越早回應(yīng)。
5.4 頭信息壓縮
HTTP 協(xié)議不帶有狀態(tài)，每次請(qǐng)求都必須附上所有信息。所以，請(qǐng)求的很多字段都是重復(fù)的，比如Cookie和User Agent，一模一樣的內(nèi)容，每次請(qǐng)求都必須附帶，這會(huì)浪費(fèi)很多帶寬，也影響速度。
HTTP/2 對(duì)這一點(diǎn)做了優(yōu)化，引入了頭信息壓縮機(jī)制(header compression)。一方面，頭信息使用gzip或compress壓縮后再發(fā)送;另一方面，客戶端和服務(wù)器同時(shí)維護(hù)一張頭信息表，所有字段都會(huì)存入這個(gè)表，生成一個(gè)索引號(hào)，以后就不發(fā)送同樣字段了，只發(fā)送索引號(hào)，這樣就提高速度了。
5.5 服務(wù)器推送
HTTP/2 允許服務(wù)器未經(jīng)請(qǐng)求，主動(dòng)向客戶端發(fā)送資源，這叫做服務(wù)器推送(server push)。
常見場(chǎng)景是客戶端請(qǐng)求一個(gè)網(wǎng)頁(yè)，這個(gè)網(wǎng)頁(yè)里面包含很多靜態(tài)資源。正常情況下，客戶端必須收到網(wǎng)頁(yè)后，解析HTML源碼，發(fā)現(xiàn)有靜態(tài)資源，再發(fā)出靜態(tài)資源請(qǐng)求。其實(shí)，服務(wù)器可以預(yù)期到客戶端請(qǐng)求網(wǎng)頁(yè)后，很可能會(huì)再請(qǐng)求靜態(tài)資源，所以就主動(dòng)把這些靜態(tài)資源隨著網(wǎng)頁(yè)一起發(fā)給客戶端了。
六、參考鏈接
- Journey to HTTP/2, by Kamran Ahmed
- HTTP, by Wikipedia
- HTTP/1.0 Specification
- HTTP/2 Specification
