HTTP协议发展介绍

HTTP协议工作于C/S架构上,是万维网服务器传输超文本到本地客户端的一种应用层协议,全称是:Hyper Text Transfer Protocol(超文本传输协议),HTTP是基于TCP/IP通信协议来传递数据的。HTTP1990年被提出,由于其简洁性、快速性等特点,被广泛应用,并且经过不断的完善和发展,功能也越来越强大,目前已经发展到HTTP/2版本。

图1

一. HTTP/0.9

最早版本发布于1991年,功能极其简单,不涉及数据包的传输,默认使用80端口,只有一个GET请求方法,且服务器只能响应HTML格式的字符串,服务器响应后即关闭连接。

请求:

响应

二. HTTP/1.0

19965月,HTTP/1.0发布,引入了POSTHEAD命令,大大增强了交互功能,任何格式的内容都可以发送,为互联网的大发展奠定了基础;同时,除了数据部分,每次通信还要求包含头信息(HTTP header),来描述一些meta数据。

新增功能还包括:状态吗(status code)、多字符集支持、多部分发送(multi-part type)、权限(authorization)、缓存(cache)、内容编码(content encoding)等。

请求格式:

可以看到,请求行末尾添加了协议版本号,后面是协议头的信息,描述客户端的情况。

其中,Accept: */*表明客户端接收任何类型的数据

响应格式:

可以看到回应的数据的:头信息 + 一个空行 + 数据。其中,第一行是状态行,格式为:协议版本 + 状态码 + 状态描述。

常用字段介绍:

1. Content-Type

1.0版规定,头信息必须是ASCII码,后面的数据可以是任何格式,因此,服务器在响应的时候,也要告诉客户端,数据是什么格式。下面是Content-Type字段的常用值:

另外,这些数值统称为MIME type,每个值包括一级类型和二级类型,之间用斜杠分隔,用户也可以自定义该类型,还可以在尾部使用分号,添加参数。

上面的代码表示,发送的是网页,并且编码是的UTF-8格式。

上面的代码表示客户端可以接受任何格式的数据。

2. Content-Encoding

发送的数据还可以被压缩后再发送,该字段说明了数据压缩的方法。

客户端还可以在请求时,用Accept-Encoding字段说明自己可以接受哪些压缩方法。

缺点

HTTP/1.0版的主要缺点是,由于TCP的每次连接都需要客户端和服务端进行3次握手,但是连接成功后只能发送一次请求,然后连接就断开了,如果需要多次请求,这样效率就很低。但是,为了解决多次请求效率低下的问题,有一个非标准的connection字段暂时解决了该问题。

这样就可以复用TCP连接,直到客户端或者服务端主动关闭连接。但是这不是标志字段,不同的实现可能行为不一致,所以是一种暂时的解决方案。

三. HTTP/1.1

19971月,HTTP/1.1版本发布,它进一步完善了HTTP协议,一直到今天还在使用,是最流行的版本;HTTP/1.1新增了许多特性:

新增功能介绍:

1.持久连接

HTTP/1.1默认TCP连接不关闭,可以被多个请求复用,不用声明Connection: keep-alive。客户端可以在最后一个请求时,主动发送Connection: close,明确要求服务器关闭TCP连接,或者不发送,那么客户端和服务器发现对方一段时间没有活动,就会主动关闭连接。目前,对于同一个域名,大多数浏览器允许同时建立6个持久连接。

2.管道机制

HTTP/1.1引入了管道机制(pipelining),即在同一个TCP连接里面,客户端可以同时发送多个请求,这样只是改进了客户端HTTP协议请求的效率,服务器还是按照请求的先后顺序来响应。

3.Content-Length

Content-Length字段显示本次响应的数据长度,如果数据被压缩,则是压缩后的长度。在Connection: keep-alive条件下,Content-Length是必须的;反之,和HTTP/1.0一样,Content-Length不是必须的。

4.分块传输编码

使用Content-Lenght字段的前提条件是,服务器发送响应之前,必须知道响应的数据长度。但是,对于一些耗时的动态操作来说,服务器要等到所有操作完成后,才能发送数据,效率不高。因此,HTTP采用了“流模式(stream)”,即“分块传输编码”(chunked transfer encoding)方式,表明响应的数据长度未定,这样就可以产生一块数据,就发送一块数据,提高服务器的响应效率。

这样,只要请求或响应的头信息里有Transfer-Encoding字段,就表明响应将由数量未定的数据组成。

每个非空的数据块之前,都会有一个16禁止的数值,表示这个块的长度;最后一个是大小为0的块,表示本次响应数据发送完了。

5.其它特性

新增了许多的请求方式:PUTPATCHOPTIONSDELETETRACE,还增加了Host字段,用来指定服务器的域名,就可以把同一请求发送给不同的网站,为虚拟主机的发展奠定了基础。

缺点

虽然HTTP/1.1版允许复用TCP连接,但是同一个TCP连接里面,所有的数据通信是按次序进行的。服务器只有处理完一个回应,才会进行下一个回应。要是前面的回应特别慢,后面就会有许多请求排队等着,这称为”队头堵塞”(Head-of-line blocking)。

为了避免这个问题,只有两种方法:一是减少请求数,二是同时多开持久连接。这导致了很多的网页优化技巧,比如合并脚本和样式表、将图片嵌入CSS代码、域名分片(domain sharding)等等。如果HTTP协议设计得更好一些,这些额外的工作是可以避免的。

四. HTTP/2

2015年,HTTP/2发布,主要解决了HTTP1.1的效率不高的问题,新增了二进制协议、多工、数据流、头信息压缩等等功能,具体介绍如下:

1.二进制协议

HTTP/2是一个彻底的二进制协议,头信息和数据都是二进制,统称为frame):头信息帧和数据帧。二进制的优势是:可以定义额外的帧,以适应未来更高级的应用。

2.多工

HTTP/2复用TCP连接,客户端和服务器都可以同时发送多个请求或响应,不用按照顺序一一对应,避免了对头堵塞,实现了双向的、实时的通信。

3.数据流

HTTP/2定义每个请求或响应的所有数据为一个数据流(stream),每个数据流都有一个唯一的编号,数据包发送的时候,都必须标记数据流ID,用来区分它属于哪个数据流。协议规定:客户端发出的数据流的ID位奇数,服务器发出的数据流ID为偶数。

另外,数据流发送过程中,客户端和服务器都可以随时发送信号而不用关闭TCP连接,以便其它请求使用。但是HTTP1.1就不行,它取消请求的方式必须的关闭连接。HTTP/2还指定了数据流的优先级,优先级越高,服务器就优先处理。

4.头信息压缩

HTTP 协议不带有状态,每次请求都必须附上所有信息。所以,请求的很多字段都是重复的,比如CookieUser Agent,一模一样的内容,每次请求都必须附带,这会浪费很多带宽,也影响速度。

HTTP/2 对这一点做了优化,引入了头信息压缩机制(header compression)。一方面,头信息使用gzipcompress压缩后再发送;另一方面,客户端和服务器同时维护一张头信息表,所有字段都会存入这个表,生成一个索引号,以后就不发送同样字段了,只发送索引号,这样就提高速度了。

5.服务器推送

HTTP/2允许服务器主动向客户端发送资源,主要是服务器经过预测,把一些客户端可能请求的资源主动发送给客户端,提高用户体验。


本文主要参考阮一峰的HTTP协议入门,版权归阮一峰所有。

参考资料

HTTP协议入门

协议基础

HTTP协议

Journey to HTTP/2

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