1、HTTP的前世今生
HTTP 协议始于三十年前蒂姆·伯纳斯 - 李的一篇论文；
HTTP/0.9 是个简单的文本协议，只能获取文本资源；
HTTP/1.0 确立了大部分现在使用的技术，但它不是正式标准；
HTTP/1.1 是目前互联网上使用最广泛的协议，功能也非常完善；
HTTP/2 基于 Google 的 SPDY 协议，注重性能改善，但还未普及；
HTTP/3 基于 Google 的 QUIC 协议，是将来的发展方向。
2、HTTP是什么
HTTP 是一个用在计算机世界里的协议，它确立了一种计算机之间交流通信的规范，以及相关的各种控制和错误处理方式。
HTTP 专门用来在两点之间传输数据，不能用于广播、寻址或路由。
HTTP 传输的是文字、图片、音频、视频等超文本数据。
HTTP 是构建互联网的重要基础技术，它没有实体，依赖许多其他的技术来实现，但同时许多技术也都依赖于它。
3、与HTTP相关的各种概念
互联网上绝大部分资源都使用 HTTP 协议传输；
浏览器是 HTTP 协议里的请求方，即 User Agent；
服务器是 HTTP 协议里的应答方，常用的有 Apache 和 Nginx；
CDN 位于浏览器和服务器之间，主要起到缓存加速的作用；
爬虫是另一类 User Agent，是自动访问网络资源的程序。
4、与HTTP相关的各种协议
TCP/IP 是网络世界最常用的协议，HTTP 通常运行在 TCP/IP 提供的可靠传输基础上；
DNS 域名是 IP 地址的等价替代，需要用域名解析实现到 IP 地址的映射；
URI 是用来标记互联网上资源的一个名字，由“协议名 + 主机名 + 路径”构成，俗称 URL；
HTTPS 相当于“HTTP+SSL/TLS+TCP/IP”，为 HTTP 套了一个安全的外壳；
代理是 HTTP 传输过程中的“中转站”，可以实现缓存加速、负载均衡等功能。
TCP/IP 分为四层，核心是二层的 IP 和三层的 TCP，HTTP 在第四层；
OSI 分为七层，基本对应 TCP/IP，TCP 在第四层，HTTP 在第七层；
OSI 可以映射到 TCP/IP，但这期间一、五、六层消失了；
日常交流的时候我们通常使用 OSI 模型，用四层、七层等术语；
HTTP 利用 TCP/IP 协议栈逐层打包再拆包，实现了数据传输，但下面的细节并不可见。
有一个辨别四层和七层比较好的（但不是绝对的）小窍门，“两个凡是”：凡是由操作系统负责处理的就是四层或四层以下，否则，凡是需要由应用程序（也就是你自己写代码）负责处理的就是七层。
5、域名里有哪些门道？
域名使用字符串来代替 IP 地址，方便用户记忆，本质上一个名字空间系统；
DNS 就像是我们现实世界里的电话本、查号台，统管着互联网世界里的所有网站，是一个“超级大管家”；
DNS 是一个树状的分布式查询系统，但为了提高查询效率，外围有多级的缓存；
使用 DNS 可以实现基于域名的负载均衡，既可以在内网，也可以在外网。
6、搭建HTTP实验环境
现实的网络环境太复杂，有很多干扰因素，搭建“最小化”的环境可以快速抓住重点，掌握 HTTP 的本质；
我们选择 Wireshark 作为抓包工具，捕获在 TCP/IP 协议栈中传输的所有流量；
我们选择 Chrome 或 Firefox 浏览器作为 HTTP 协议中的 user agent；
我们选择 OpenResty 作为Web服务器，它是一个Nginx的“强化包”，功能非常丰富；
Telnet 是一个命令行工具，可用来登录主机模拟浏览器操作；
在 GitHub 上可以下载到本专栏的专用项目源码，只要把 OpenResty 解压到里面即可完成实验环境的搭建。
7、键入网址再按下回车，后面究竟发生了什么？
HTTP 协议基于底层的 TCP/IP 协议，所以必须要用 IP 地址建立连接；
如果不知道 IP 地址，就要用 DNS 协议去解析得到 IP 地址，否则就会连接失败；
建立 TCP 连接后会顺序收发数据，请求方和应答方都必须依据 HTTP 规范构建和解析报文；
为了减少响应时间，整个过程中的每一个环节都会有缓存，能够实现“短路”操作；
虽然现实中的 HTTP 传输过程非常复杂，但理论上仍然可以简化成实验里的“两点”模型。
8、HTTP报文是什么样子
HTTP 报文结构就像是“大头儿子”，由“起始行 + 头部 + 空行 + 实体”组成，简单地说就是“header+body”；
HTTP 报文可以没有 body，但必须要有 header，而且 header 后也必须要有空行，形象地说就是“大头”必须要带着“脖子”；
请求头由“请求行 + 头部字段”构成，响应头由“状态行 + 头部字段”构成；
请求行有三部分：请求方法，请求目标和版本号；
状态行也有三部分：版本号，状态码和原因字符串；
头部字段是 key-value 的形式，用“:”分隔，不区分大小写，顺序任意，除了规定的标准头，也可以任意添加自定义字段，实现功能扩展；
HTTP/1.1 里唯一要求必须提供的头字段是 Host，它必须出现在请求头里，标记虚拟主机名。
9、如何理解请求方法？
请求方法是客户端发出的、要求服务器执行的、对资源的一种操作；
请求方法是对服务器的“指示”，真正应如何处理由服务器来决定；
最常用的请求方法是 GET 和 POST，分别是获取数据和发送数据；
HEAD 方法是轻量级的 GET，用来获取资源的元信息；
PUT 基本上是 POST 的同义词，多用于更新数据；
“安全”与“幂等”是描述请求方法的两个重要属性，具有理论指导意义，可以帮助我们设计系统。
10、写出正确的网址
URI 是用来唯一标记服务器上资源的一个字符串，通常也称为 URL；
URI 通常由 scheme、host:port、path 和 query 四个部分组成，有的可以省略；
scheme 叫“方案名”或者“协议名”，表示资源应该使用哪种协议来访问；
“host:port”表示资源所在的主机名和端口号；
path 标记资源所在的位置；
query 表示对资源附加的额外要求；
在 URI 里对“@&/”等特殊字符和汉字必须要做编码，否则服务器收到 HTTP 报文后会无法正确处理。
11、响应状态码
（1）、状态码类别：
1××：提示信息，表示目前是协议处理的中间状态，还需要后续的操作；
2××：成功，报文已经收到并被正确处理；
3××：重定向，资源位置发生变动，需要客户端重新发送请求；
4××：客户端错误，请求报文有误，服务器无法处理；
5××：服务器错误，服务器在处理请求时内部发生了错误。
（2）、状态码说明：
状态码在响应报文里表示了服务器对请求的处理结果；
状态码后的原因短语是简单的文字描述，可以自定义；
状态码是十进制的三位数，分为五类，从 100 到 599；
2××类状态码表示成功，常用的有 200、204、206；
3××类状态码表示重定向，常用的有 301、302、304；
4××类状态码表示客户端错误，常用的有 400、403、404；
5××类状态码表示服务器错误，常用的有 500、501、502、503。
12、HTTP有哪些特点
HTTP 是灵活可扩展的，可以任意添加头字段实现任意功能；
HTTP 是可靠传输协议，基于 TCP/IP 协议“尽量”保证数据的送达；
HTTP 是应用层协议，比 FTP、SSH 等更通用功能更多，能够传输任意数据；
HTTP 使用了请求 - 应答模式，客户端主动发起请求，服务器被动回复请求；
HTTP 本质上是无状态的，每个请求都是互相独立、毫无关联的，协议不要求客户端或服务器记录请求相关的信息。
13、HTTP优点、缺点
HTTP 最大的优点是简单、灵活和易于扩展；
HTTP 拥有成熟的软硬件环境，应用的非常广泛，是互联网的基础设施；
HTTP 是无状态的，可以轻松实现集群化，扩展性能，但有时也需要用 Cookie 技术来实现“有状态”；
HTTP 是明文传输，数据完全肉眼可见，能够方便地研究分析，但也容易被窃听；
HTTP 是不安全的，无法验证通信双方的身份，也不能判断报文是否被窜改；
HTTP 的性能不算差，但不完全适应现在的互联网，还有很大的提升空间。
14、HTTP的实体数据
数据类型表示实体数据的内容是什么，使用的是 MIME type，相关的头字段是 Accept 和 Content-Type；
数据编码表示实体数据的压缩方式，相关的头字段是 Accept-Encoding 和 Content-Encoding；
语言类型表示实体数据的自然语言，相关的头字段是 Accept-Language 和 Content-Language；
字符集表示实体数据的编码方式，相关的头字段是 Accept-Charset 和 Content-Type；
客户端需要在请求头里使用 Accept 等头字段与服务器进行“内容协商”，要求服务器返回最合适的数据；
Accept 等头字段可以用“,”顺序列出多个可能的选项，还可以用“;q=”参数来精确指定权重。
15、HTTP传输大文件的方法
压缩 HTML 等文本文件是传输大文件最基本的方法；
分块传输可以流式收发数据，节约内存和带宽，使用响应头字段“Transfer-Encoding: chunked”来表示，分块的格式是 16 进制长度头 + 数据块；
范围请求可以只获取部分数据，即“分块请求”，实现视频拖拽或者断点续传，使用请求头字段“Range”和响应头字段“Content-Range”，响应状态码必须是 206；
也可以一次请求多个范围，这时候响应报文的数据类型是“multipart/byteranges”，body 里的多个部分会用 boundary 字符串分隔。
要注意这四种方法不是互斥的，而是可以混合起来使用，例如压缩后再分块传输，或者分段后再分块，实验环境的 URI“/16-3”就模拟了后一种的情形，你可以自己用 Telnet 试一下。
16、HTTP 协议里的短连接和长连接
早期的 HTTP 协议使用短连接，收到响应后就立即关闭连接，效率很低；
HTTP/1.1 默认启用长连接，在一个连接上收发多个请求响应，提高了传输效率；
服务器会发送“Connection: keep-alive”字段表示启用了长连接；
报文头里如果有“Connection: close”就意味着长连接即将关闭；
过多的长连接会占用服务器资源，所以服务器会用一些策略有选择地关闭长连接；
“队头阻塞”问题会导致性能下降，可以用“并发连接”和“域名分片”技术缓解。
17、HTTP的重定向和跳转
重定向是服务器发起的跳转，要求客户端改用新的 URI 重新发送请求，通常会自动进行，用户是无感知的；
301/302 是最常用的重定向状态码，分别是“永久重定向”和“临时重定向”；
响应头字段 Location 指示了要跳转的 URI，可以用绝对或相对的形式；
重定向可以把一个 URI 指向另一个 URI，也可以把多个 URI 指向同一个 URI，用途很多；
使用重定向时需要当心性能损耗，还要避免出现循环跳转。
18、HTTP的Cookie机制
Cookie 是服务器委托浏览器存储的一些数据，让服务器有了“记忆能力”；
响应报文使用 Set-Cookie 字段发送“key=value”形式的 Cookie 值；
请求报文里用 Cookie 字段发送多个 Cookie 值；
为了保护 Cookie，还要给它设置有效期、作用域等属性，常用的有 Max-Age、Expires、Domain、HttpOnly 等；
Cookie 最基本的用途是身份识别，实现有状态的会话事务。
19、HTTP的缓存控制
缓存是优化系统性能的重要手段，HTTP 传输的每一个环节中都可以有缓存；
服务器使用“Cache-Control”设置缓存策略，常用的是“max-age”，表示资源的有效期；
浏览器收到数据就会存入缓存，如果没过期就可以直接使用，过期就要去服务器验证是否仍然可用；
验证资源是否失效需要使用“条件请求”，常用的是“if-Modified-Since”和“If-None-Match”，收到 304 就可以复用缓存里的资源；
验证资源是否被修改的条件有两个：“Last-modified”和“ETag”，需要服务器预先在响应报文里设置，搭配条件请求使用；
浏览器也可以发送“Cache-Control”字段，使用“max-age=0”或“no_cache”刷新数据。
HTTP 缓存看上去很复杂，但基本原理说白了就是一句话：“没有消息就是好消息”，“没有请求的请求，才是最快的请求。”
20、HTTP的代理服务
HTTP 代理就是客户端和服务器通信链路中的一个中间环节，为两端提供“代理服务”；
代理处于中间层，为 HTTP 处理增加了更多的灵活性，可以实现负载均衡、安全防护、数据过滤等功能；
代理服务器需要使用字段“Via”标记自己的身份，多个代理会形成一个列表；
如果想要知道客户端的真实 IP 地址，可以使用字段“X-Forwarded-For”和“X-Real-IP”；
专门的“代理协议”可以在不改动原始报文的情况下传递客户端的真实 IP。
21、HTTP的缓存代理
计算机领域里最常用的性能优化手段是“时空转换”，也就是“时间换空间”或者“空间换时间”，HTTP 缓存属于后者；
缓存代理是增加了缓存功能的代理服务，缓存源服务器的数据，分发给下游的客户端；
“Cache-Control”字段也可以控制缓存代理，常用的有“private”“s-maxage”“no-transform”等，同样必须配合“Last-modified”“ETag”等字段才能使用；
缓存代理有时候也会带来负面影响，缓存不良数据，需要及时刷新或删除。
22、HTTPS、SSL/TLS
因为 HTTP 是明文传输，所以不安全，容易被黑客窃听或窜改；
通信安全必须同时具备机密性、完整性，身份认证和不可否认这四个特性；
HTTPS 的语法、语义仍然是 HTTP，但把下层的协议由 TCP/IP 换成了 SSL/TLS；
SSL/TLS 是信息安全领域中的权威标准，采用多种先进的加密技术保证通信安全；
OpenSSL 是著名的开源密码学工具包，是 SSL/TLS 的具体实现。
23、对称加密与非对称加密
加密算法的核心思想是“把一个小秘密（密钥）转化为一个大秘密（密文消息）”，守住了小秘密，也就守住了大秘密；
对称加密只使用一个密钥，运算速度快，密钥必须保密，无法做到安全的密钥交换，常用的有 AES 和 ChaCha20；
非对称加密使用两个密钥：公钥和私钥，公钥可以任意分发而私钥保密，解决了密钥交换问题但速度慢，常用的有 RSA 和 ECC；
把对称加密和非对称加密结合起来就得到了“又好又快”的混合加密，也就是 TLS 里使用的加密方式。
24、数字签名与证书
摘要算法用来实现完整性，能够为数据生成独一无二的“指纹”，常用的算法是 SHA-2；
数字签名是私钥对摘要的加密，可以由公钥解密后验证，实现身份认证和不可否认；
公钥的分发需要使用数字证书，必须由 CA 的信任链来验证，否则就是不可信的；
作为信任链的源头 CA 有时也会不可信，解决办法有 CRL、OCSP，还有终止信任。
25、HTTPS/TLS 的握手
HTTPS 协议会先与服务器执行 TCP 握手，然后执行 TLS 握手，才能建立安全连接；
握手的目标是安全地交换对称密钥，需要三个随机数，第三个随机数“Pre-Master”必须加密传输，绝对不能让黑客破解；
“Hello”消息交换随机数，“Key Exchange”消息交换“Pre-Master”；
“Change Cipher Spec”之前传输的都是明文，之后都是对称密钥加密的密文。
为了兼容 1.1、1.2 等“老”协议，TLS1.3 会“伪装”成 TLS1.2，新特性在“扩展”里实现；
1.1、1.2 在实践中发现了很多安全隐患，所以 TLS1.3 大幅度删减了加密算法，只保留了 ECDHE、AES、ChaCha20、SHA-2 等极少数算法，强化了安全；
TLS1.3 也简化了握手过程，完全握手只需要一个消息往返，提升了性能。
26、HTTPS的优化
可以有多种硬件和软件手段减少网络耗时和计算耗时，让 HTTPS 变得和 HTTP 一样快，最可行的是软件优化；
应当尽量使用 ECDHE 椭圆曲线密码套件，节约带宽和计算量，还能实现“False Start”；
服务器端应当开启“OCSP Stapling”功能，避免客户端访问 CA 去验证证书；
会话复用的效果类似 Cache，前提是客户端必须之前成功建立连接，后面就可以用“Session ID”“Session Ticket”等凭据跳过密钥交换、证书验证等步骤，直接开始加密通信。
27、HTTPS 迁移的技术要点
但想要实现大型网站的“全站 HTTPS”还是需要有很多的细枝末节的工作要做，比如使用 CSP（Content Security Policy）的各种指令和标签来配置安全策略，使用反向代理来集中“卸载”SSL。
从 HTTP 迁移到 HTTPS 是“大势所趋”，能做就应该尽早做；
升级 HTTPS 首先要申请数字证书，可以选择免费好用的“Let’s Encrypt”；
配置 HTTPS 时需要注意选择恰当的 TLS 版本和密码套件，强化安全；
原有的 HTTP 站点可以保留作为过渡，使用 301 重定向到 HTTPS。
28、HTTP/2 的一些重要特性
HTTP 协议取消了小版本号，所以 HTTP/2 的正式名字不是 2.0；
HTTP/2 在“语义”上兼容 HTTP/1，保留了请求方法、URI 等传统概念；
HTTP/2 使用“HPACK”算法压缩头部信息，消除冗余数据节约带宽；
HTTP/2 的消息不再是“Header+Body”的形式，而是分散为多个二进制“帧”；
HTTP/2 使用虚拟的“流”传输消息，解决了困扰多年的“队头阻塞”问题，同时实现了“多路复用”，提高连接的利用率；
HTTP/2 也增强了安全性，要求至少是 TLS1.2，而且禁用了很多不安全的密码套件。
HTTP/2 必须先发送一个“连接前言”字符串，然后才能建立正式连接；
HTTP/2 废除了起始行，统一使用头字段，在两端维护字段“Key-Value”的索引表，使用“HPACK”算法压缩头部；
HTTP/2 把报文切分为多种类型的二进制帧，报头里最重要的字段是流标识符，标记帧属于哪个流；
流是 HTTP/2 虚拟的概念，是帧的双向传输序列，相当于 HTTP/1 里的一次“请求 - 应答”；
在一个 HTTP/2 连接上可以并发多个流，也就是多个“请求 - 响应”报文，这就是“多路复用”。
29、HTTP/3 展望
HTTP/3 综合了我们之前讲的所有技术（HTTP/1、SSL/TLS、HTTP/2），包含知识点很多，比如队头阻塞、0-RTT 握手、虚拟的“流”、多路复用，算得上是“集大成之作”，需要多下些功夫好好体会。
HTTP/3 基于 QUIC 协议，完全解决了“队头阻塞”问题，弱网环境下的表现会优于 HTTP/2；
QUIC 是一个新的传输层协议，建立在 UDP 之上，实现了可靠传输；
QUIC 内含了 TLS1.3，只能加密通信，支持 0-RTT 快速建连；
QUIC 的连接使用“不透明”的连接 ID，不绑定在“IP 地址 + 端口”上，支持“连接迁移”；
QUIC 的流与 HTTP/2 的流很相似，但分为双向流和单向流；
HTTP/3 没有指定默认端口号，需要用 HTTP/2 的扩展帧“Alt-Svc”来发现。
30、如何迁移到 HTTP/2。
HTTP/2 完全兼容 HTTP/1，是“更安全的 HTTP、更快的
HTTPS”，头部压缩、多路复用等技术可以充分利用带宽，降低延迟，从而大幅度提高上网体验；
TCP 协议存在“队头阻塞”，所以 HTTP/2 在弱网或者移动网络下的性能表现会不如 HTTP/1；
迁移到 HTTP/2 肯定会有性能提升，但高流量网站效果会更显著；
如果已经升级到了 HTTPS，那么再升级到 HTTP/2 会很简单；
TLS 协议提供“ALPN”扩展，让客户端和服务器协商使用的应用层协议，“发现”HTTP/2 服务。
31、Nginx 高性能的 Web 服务器
Nginx 是一个高性能的 Web 服务器，它非常的轻量级，消耗的 CPU、内存很少；
Nginx 采用“master/workers”进程池架构，不使用多线程，消除了进程、线程切换的成本；
Nginx 基于 epoll 实现了“I/O 多路复用”，不会阻塞，所以性能很高；
Nginx 使用了“职责链”模式，多个模块分工合作，自由组合，以流水线的方式处理 HTTP 请求。
32、OpenResty：更灵活的Web服务器
Nginx 依赖于磁盘上的静态配置文件，修改后必须重启才能生效，缺乏灵活性；
OpenResty 基于 Nginx，打包了很多有用的模块和库，是一个高性能的 Web 开发平台；
OpenResty 的工作语言是 Lua，它小巧灵活，执行效率高，支持“代码热加载”；
OpenResty 的核心编程范式是“同步非阻塞”，使用协程，不需要异步回调函数；
OpenResty 也使用“阶段式处理”的工作模式，但因为在阶段里执行的都是 Lua 代码，所以非常灵活，配合 Redis 等外部数据库能够实现各种动态配置。
33、WAF：保护我们的网络服务
Web 服务通常都运行在公网上，容易受到“DDoS”、“代码注入”等各种黑客攻击，影响正常的服务，所以必须要采取措施加以保护；
WAF 是一种“HTTP 入侵检测和防御系统”，工作在七层，为 Web 服务提供全面的防护
；
ModSecurity 是一个开源的、生产级的 WAF 产品，核心组成部分是“规则引擎”和“规则集”，两者的关系有点像杀毒引擎和病毒特征库；
WAF 实质上是模式匹配与数据过滤，所以会消耗 CPU，增加一些计算成本，降低服务能力，使用时需要在安全与性能之间找到一个“平衡点”。
34、CDN：加速我们的网络服务
由于客观地理距离的存在，直连网站访问速度会很慢，所以就出现了 CDN；
CDN 构建了全国、全球级别的专网，让用户就近访问专网里的边缘节点，降低了传输延迟，实现了网站加速；
GSLB 是 CDN 的“大脑”，使用 DNS 负载均衡技术，智能调度边缘节点提供服务；
缓存系统是 CDN 的“心脏”，使用 HTTP 缓存代理技术，缓存命中就返回给用户，否则就要回源。
35、WebSocket：沙盒里的TCP
浏览器是一个“沙盒”环境，有很多的限制，不允许建立 TCP 连接收发数据，而有了 WebSocket，我们就可以在浏览器里与服务器直接建立“TCP 连接”，获得更多的自由。
不过自由也是有代价的，WebSocket 虽然是在应用层，但使用方式却与“TCP Socket”差不多，过于“原始”，用户必须自己管理连接、缓存、状态，开发上比 HTTP 复杂的多，所以是否要在项目中引入 WebSocket 必须慎重考虑。
HTTP 的“请求 - 应答”模式不适合开发“实时通信”应用，效率低，难以实现动态页面，所以出现了 WebSocket；
WebSocket 是一个“全双工”的通信协议，相当于对 TCP 做了一层“薄薄的包装”，让它运行在浏览器环境里；
WebSocket 使用兼容 HTTP 的 URI 来发现服务，但定义了新的协议名“ws”和“wss”，端口号也沿用了 80 和 443；
WebSocket 使用二进制帧，结构比较简单，特殊的地方是有个“掩码”操作，客户端发数据必须掩码，服务器则不用；
WebSocket 利用 HTTP 协议实现连接握手，发送 GET 请求要求“协议升级”，握手过程中有个非常简单的认证机制，目的是防止误连接。
36、 HTTP性能优化面面观
性能优化是一个复杂的概念，在 HTTP 里可以分解为服务器性能优化、客户端性能优化和传输链路优化；
服务器有三个主要的性能指标：吞吐量、并发数和响应时间，此外还需要考虑资源利用率；
客户端的基本性能指标是延迟，影响因素有地理距离、带宽、DNS 查询、TCP 握手等；
从服务器到客户端的传输链路可以分为三个部分，我们能够优化的是前两个部分，也就是“第一公里”和“中间一公里”；
有很多工具可以测量这些指标，服务器端有 ab、top、sar 等，客户端可以使用测试网站，浏览器的开发者工具。
花钱购买硬件、软件或者服务可以直接提升网站的服务能力，其中最有价值的是 CDN；
不花钱也可以优化 HTTP，三个关键词是“开源”“节流”和“缓存”；
后端应该选用高性能的 Web 服务器，开启长连接，提升 TCP 的传输效率；
前端应该启用 gzip、br 压缩，减小文本、图片的体积，尽量少传不必要的头字段；
缓存是无论何时都不能忘记的性能优化利器，应该总使用 Etag 或 Last-modified 字段标记资源；
升级到 HTTP/2 能够直接获得许多方面的性能提升，但要留意一些 HTTP/1 的“反模式”。
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