[网络协议]06.基于 HTTP 的功能追加协议

基于 HTTP 的功能追加协议

1. HTTP 协议的瓶颈

HTTP 虽然简单快捷，但是有一些问题。在建立 HTTP 标准规范时，制订者主要想把 HTTP 当作传输 HTML 文档的协议。随着时代的发展，Web 的用途更具多样性。

若想在现有 Web 实现所需的功能，以下这些 HTTP 标准就会成为瓶颈。

• 一条连接上只可发送一个请求。
• 请求只能从客户端开始。客户端不可以接收除响应以以外的指令。
• 请求/响应首部未经压缩就发送。首部信息越多延迟越大。
• 发送冗长的首部。每次互相发送相同的首部造成的浪费较多。
• 可任意选择数据压缩格式。非强制压缩发送。

HTTP 功能上的不足可通过创建一套全新的协议来弥补。可是目前基于 HTTP 的 Web 浏览器的使用环境已遍布全球， 因此无法完全抛弃 HTTP。有一些新协议的规则是基于 HTTP 的， 并在此基础上添加了新的功能。

2. 双工通信的 WebSocket

以前的方式

HTTP 的弊端是在于被动性，只能客户端主动发出请求。

1. Ajax 轮询，每隔一段时间客户端发送 Ajax 询问有没有消息更新。
2. Long Pool，使用阻塞的模型，客户端发送请求后一直等待，直到等到服务器发出 response 为止。

上面的两种方法可以看出，给服务器造成压力。

一旦 Web 服务器与客户端之间建立起 WebSocket 协议的通信连接，之后所有的通信都依靠这个专用协议进行。 通信过程中可互相发送 JSON、XML、HTML 或图片等任意格式的数据。

由于是建立在 HTTP 基础上的协议， 因此连接的发起方仍是客户端，而一旦确立 WebSocket 通信连接，不论服务器还是客户端，任意一方都可直接向对方发送报文。

WebSocket 特点：

1. 推送功能

   支持由服务器向客户端推送数据的推送功能。这样，服务器可直接发送数据，而不必等待客户端的请求。

2. 减少通信量

   只要建立起 WebSocket 连接，就希望一直保持连接状态。和 HTTP 相比，不但每次连接时的总开销减少，而且由于 WebSocket 的首部信息很小，通信量也相应减少了。

为了实现 WebSocket 通信，在 HTTP 连接建立之后，需要完成一次“握手”（Handshaking）的步骤。

握手请求

为了实现 WebSocket 通信， 需要用到 HTTP 的 Upgrade 首部字段，告知服务器通信协议发生改变，以达到握手的目的。

Sec-WebSocket-Key 字段内记录着握手过程中必不可少的键值。 Sec-WebSocket-Protocol 字段内记录使用的子协议。

握手响应

对于之前的请求，返回状态码 101 Switching Protocols 的响应。告诉浏览器已经切换了协议。

Sec-WebSocket-Accept 的字段值是由握手请求中的 Sec-WebSocket-Key 的字段值生成的。

成功握手确立 WebSocket 连接之后，通信时不再使用 HTTP 的数据帧，而采用 WebSocket 独立的数据帧。

3. 消除 HTTP 瓶颈的 SPDY

SPDY 没有完全改写 HTTP 协议， 而是在 TCP/IP 的应用层与运输层之间通过新加会话层的形式运作。同时，考虑到安全性问题，SPDY 规定通信中使用 SSL。

SPDY 以会话层的形式加入， 控制对数据的流动， 但还是采用 HTTP 建立通信连接。 因此， 可照常使用 HTTP 的 GET 和 POST 等方法、Cookie 以及 HTTP 报文等。

HTTP 缺陷

1. 单路连接，请求低效
2. HTTP 只允许由客户端主动发起请求
3. HTTP 头部冗余

SPDY 的改进

1. 多路复用流

   通过单一的 TCP 连接， 可以无限制处理多个 HTTP 请求。 所有请求的处理都在一条 TCP 连接上完成，因此 TCP 的处理效率得到提高。

2. 赋予请求优先级

   SPDY 不仅可以无限制地并发处理请求，还可以给请求逐个分配优先级顺序。

   可以选择性地先传输关键的资源。

   这样主要是为了在发送多个请求时，解决因带宽低而导致响应变慢的问题。

3. 推送功能

   支持服务器主动向客户端推送数据的功能。这样，服务器可直接发送数据，而不必等待客户端的请求。

4. 压缩 HTTP 首部

   压缩 HTTP 请求和响应的首部。这样一来，通信产生的数据包数量和发送的字节数就更少了。

5. 服务器提示功能

   客户端给服务器发送请求时，一般就是要获取资源了。

   服务器可以主动提示客户端请求所需的资源。由于在客户端发现资源之前就可以获知资源的存在，因此在资源已缓存等情况下，可以避免发送不必要的请求。

6. 强制使用 SSL 传输协议

   web 发展方向是安全的网络连接

SPDY 的意义

普通用户：访问速度变快，提高安全性保密性

前端人员：请求顺序根据优先级重新编排，避免图片请求带来的问题

运维人员：降低连接数目，服务器占用资源减少，从而释放出更多内存和 CPU，提升浏览速度

但是还没推广开来，就被 HTTP2.0 给取代了。但是 HTTP2.0 和 SPDY 有很多的相似之处。

4. 期盼已久的 HTTP/2.0

4.1 HTTP2.0 性能增强的核心：二进制分帧

HTTP/2 厉害的地?在于将 HTTP/1 的?本格式改成?进制格式传输数据，极?提?了 HTTP 传输效率，?且?进制数据使?位运算能?效解析。

HTTP/2 把响应报?划分成了两个帧（Frame），图中的 HEADERS（?部）和 DATA（消息负载） 是帧的类型，也就是说?条 HTTP 响应，划分成了两个帧来传输，并且采??进制来编码。

4.2 HTTP2.0 首部压缩

HTTP 协议的报?是由「Header + Body」构成的，对于 Body 部分，HTTP/1.1 协议可以使?头字段 「Content Encoding」指定 Body 的压缩?式，?如? gzip 压缩，这样可以节约带宽，但报?中的另外?部分 Header，是没有针对它的优化?段。

HTTP/1.1 报?中 Header 部分存在的问题：

• 含很多固定的字段，?如Cookie、User Agent、Accept 等，这些字段加起来也?达?百字节甚?上千字节，所以有必要压缩；
• 大量的请求和响应的报??有很多字段值都是重复的，这样会使得大量带宽被这些冗余的数据占?了，所以有必须要避免重复性；
• 字段是 ASCII 编码的，虽然易于?类观察，但效率低，所以有必要改成?进制编码；

HTTP/2 对 Header 部分做了?改造，把以上的问题都解决了。

HTTP/2 没使?常?的 gzip 压缩?式来压缩头部，?是开发了 HPACK 算法，HPACK 算法主要包含三个组成部分：

• 静态字典；
• 动态字典；
• Huffman 编码（压缩算法）；

客户端和服务器两端都会建?和维护「字典」，??度较?的索引号表示重复的字符串，再? Huffman 编码压缩数据，可达到 50%~90% 的?压缩率。

静态表编码

HTTP/2 为?频出现在头部的字符串和字段建?了?张静态表，它是写?到 HTTP/2 框架?的，不会发生改变；

表中的 Index 表示索引（Key）， Header Value 表示索引对应的 Value， Header Name 表示字段的名字，?如 Index 为 2 代表 GET，Index 为 8 代表状态码 200。

这样一来，加上规定里的，静态表里的 index 头部前两位为 01，表示响应头的 key 只要一个字节就能解决。

第二个字节，首个比特位表示 value 是否经过 Huffman 编码，剩下的比特位表示 value 所需要的字节长度。如 10000110，表示经过 Huffman 编码，并且编码后 value 的长度为 6 个字节。

HTTP/2 头部由于基于?进制编码，就不需要冒号空格和末尾的\r\n 作为分隔符，于是改?表示字符串?度（Value Length）来分割 Index 和 Value。

Huffman 编码的原理是将?频出现的信息?「较短」的编码表示，从?缩减字符串?度。静态 Huffman 表里有原字符所对应的 Huffman 编码。

最终， server 头部的?进制数据对应的静态头部格式如下：

动态表编码

静态表只包含了 61 种?频出现在头部的字符串，不在静态表范围内的头部字符串就要??构建动态表，它的 Index 从 62 起步，会在编码解码的时候随时更新。

?如，第?次发送时头部中的「 user-agent 」字段数据有上百个字节，经过 Huffman 编码发送出去后，客户端和服务器双?都会更新??的动态表，添加?个新的 Index 号 62。那么在下?次发送的时候，就不?重复发这个字段的数据了，只?发 1 个字节的 Index 号就好了，因为双?都可以根据??的动态表获取到字段的数据。

所以，使得动态表?效有?个前提：必须同?个连接上，重复传输完全相同的 HTTP 头部。如果消息字段在 1 个连接上只发送了 1 次，或者重复传输时，字段总是略有变化，动态表就?法被充分利?了。

因此，随着在同? HTTP/2 连接上发送的报?越来越多，客户端和服务器双?的「字典」积累的越来越多，理论上最终每个头部字段都会变成 1 个字节的 Index，这样便避免了大量的冗余数据的传输，??节约了带宽。

动态表越?，占?的内存也就越?，如果占?了太多内存，是会影响服务器性能的，因此 Web 服务器都会提供类似 http2_max_requests 的配置，?于限制?个连接上能够传输的请求数量，避免动态表?限增?，请求数量到达上限后，就会关闭 HTTP/2 连接来释放内存。

综上，HTTP/2 头部的编码通过「静态表、动态表、Huffman 编码」共同完成的。

4.3 并发传输

HTTP/1.1 的实现是基于请求-响应模型的。同?个连接中，HTTP 完成?个事务（请求与响应），才能处理下?个事务，也就是说在发出请求等待响应的过程中，是没办法做其他事情的，如果响应迟迟不来，那么后续的请求是?法发送的，也造成了队头阻塞的问题。

? HTTP/2 就很?逼了，通过 Stream 这个设计，多个 Stream 复??条 TCP 连接，达到并发的效果，解决了HTTP/1.1 队头阻塞的问题，提?了 HTTP 传输的吞吐量。

从上图中可以看到：

• 1 个 TCP 连接包含?个或者多个 Stream，Stream 是 HTTP/2 并发的关键技术；
• Stream ?可以包含 1 个或多个 Message，Message 对应 HTTP/1 中的请求或响应，由 HTTP 头部和包体构成；
• Message ?包含?条或者多个 Frame，Frame 是 HTTP/2 最?单位，以?进制压缩格式存放 HTTP/1 中的内容（头部和包体）；

因此，我们可以得出 2 个结论：HTTP 消息可以由多个 Frame 构成，以及 1 个 Frame 可以由多个 TCP 报?构成。

在 HTTP/2 连接上，不同 Stream 的帧是可以乱序发送的（因此可以并发不同的 Stream ），因为每个帧的头部会

携带 Stream ID 信息，所以接收端可以通过 Stream ID 有序组装成 HTTP 消息，?同? Stream 内部的帧必须是严格有序的。

客户端和服务器双?都可以建? Stream， Stream ID 也是有区别的，客户端建?的 Stream 必须是奇数号，?服务器建?的 Stream 必须是偶数号。

同?个连接中的 Stream ID 是不能复?的，只能顺序递增，所以当 Stream ID 耗尽时，需要发?个控制帧 GOAWAY ，?来关闭 TCP 连接。

在 Nginx 中，可以通过 http2_max_concurrent_streams 配置来设置 Stream 的上限，默认是 128 个。

HTTP/2 通过 Stream 实现的并发，? HTTP/1.1 通过 TCP 连接实现并发要?逼的多，因为当 HTTP/2 实现 100 个并发 Stream 时，只需要建??次 TCP 连接，? HTTP/1.1 需要建? 100 个 TCP 连接，每个 TCP 连接都要经过TCP 握?、慢启动以及 TLS 握?过程，这些都是很耗时的。

HTTP/2 还可以对每个 Stream 设置不同优先级，帧头中的「标志位」可以设置优先级，?如客户端访问HTML/CSS 和图?资源时，希望服务器先传递 HTML/CSS，再传图?，那么就可以通过设置 Stream 的优先级来实现，以此提??户体验。

总结：单链接多资源的优势

• 可以减少服务链接压力，内存占用少了，连接吞吐量大了。
• 由于 TCP 连接减少而使网络拥塞情况得以改观。
• 慢启动时间减少，拥塞和丢包恢复速度更快。

总结：并行双向字节流请求和响应

• 并行交错地发送请求，请求之间互不影响。
• 并行交错地发送响应，响应之间互不干扰。
• 只使用一个连接即可并行发送多个请求和响应。

总结：请求优先级

• 高优先级的流都应该优先发送。
• 优先级不是绝对的。
• 不同优先级混合也是必须的。

5. 管理 WEB 服务器文件的 WebDAV

WebDAV（Web-based Distributed Authoring and Versioning， 基于万维网的分布式创作和版本控制）是一个可对 Web 服务器上的内容直接进行文件复制、编辑等操作的分布式文件系统。

除了创建、删除文件等基本功能，它还具备文件创建者管理、文件编辑过程中禁止其他用户内容覆盖的加锁功能，以及对文件内容修改的版本控制功能。

WebDAV 追加方法

WebDAV 新增状态码

WebDAV 请求实例

xml 编码里使用 namespace 来设置属性，urn 来识别 namespace

WebDAV 响应实例

因为几乎可以被 FTP 给替代，因此使用 WebDAV 的需求并不强烈。

6. QUIC 与 HTTP/3.0

HTTP3.0 以 QUIC 为基础。针对移动互联网和 HTTP2.0 带来的历史遗留问题进行改进。

HTTP2.0 的问题

• 队头阻塞，多路复用的时候，可能出现丢包会导致整个 TCP 等待重传，反而效果比 HTTP/1 差。
• 建立连接的握手延迟大。TCP 握手后还得 TLS 四次握手。

QUIC 的特性

QUIC (Quick UDP Internet Connections) ，基于 UDP 连接，客户端发出 UDP 数据包后，只能“假设”这个数据包已经被服务端接收。这样的好处是在网络传输层无需对数据包进行确认，但存在的问题就是为了确保数据传输的可靠性，应用层协议需要自己完成包传输情况的确认。

• 利用缓存，显著减少连接建立时间；

  

• 改善拥塞控制，拥塞控制从内核空间到用户空间；

• 没有 head of line 阻塞的多路复用；

  

  

  基于 UDP，就不会阻塞后面的数据传输。

• 前向纠错，减少重传；

  每个包除了本身，还有部分其他包的内容，如果发生少量丢包可以通过其他包的冗余数据直接组装而不用重传。前提：只适用于丢失一个包的情况。

  

• 连接平滑迁移，网络状态的变更不会影响连接断线。

7. TCP与UDP的区别

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是基于连接的协议，也就是说，在正式收发数据前，必须和对方建立可靠的连接。一个TCP连接必须要经过三次“对话”才能建立起来。

UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）是与TCP相对应的协议。它是面向非连接的协议，它不与对方建立连接，而是直接就把数据包发送过去，UDP适用于一次只传送少量数据、对可靠性要求不高的应用环境。