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HTTP的过去和未来(HTTP1.1,HTTPS,SPDY,HTTP2.0,QUIC,HTTP3.0)

2019.11.04 16:01 3412浏览

本文将从HTTP不断发展的时间线来讲解与其相关的知识点,其中包括HTTP1.1,HTTPS,SPDY,HTTP2.0,QUIC,HTTP3.0等,文章中内容涉及面较广,属于扫盲级别,不会特别深入某个知识点来延伸,希望各位读者都能有所收获。

1. WEB始祖HTTP

HTTP的全称是:超文本传输协议(HyperText Transfer Protocol) 。
伴随着计算机网络和浏览器的诞生,HTTP1.0也随之而来,处于计算机网络中的应用层,HTTP是建立在TCP协议之上,所以HTTP协议的瓶颈及其优化技巧都是基于TCP协议本身的特性,例如TCP建立连接的3次握手和断开连接的4次挥手以及每次建立连接带来的RTT延迟时间。

2. HTTP与现代化浏览器

早在HTTP建立之初,主要就是为了将超文本标记语言(HTML)文档从WEB服务器传送到客户端的浏览器。也是说对于前端来说,我们所写的HTML页面将要放在我们的WEB服务器上,用户端通过浏览器访问URL地址来获取网页的显示内容,但是到了WEB2.0以来,我们的页面变得复杂,不仅仅单纯的是一些简单的文字和图片,同时我们的HTML页面有了CSS,JavaScript,来丰富我们的页面展示,当ajax的出现,我们又多了一种向服务器端获取数据的方法,这些其实都是基于HTTP协议的。同样到了移动互联网时代,我们页面可以跑在手机端浏览器里面,但是和PC相比,手机端的网络情况更加复杂,这使得我们开始了不得不对HTTP进行深入理解并不断优化过程中。
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3.HTTP的基本优化

  • 带宽:

如果说我们还停留在拨号上网的阶段,带宽可能会成为一个比较严重影响请求的问题,但是现在网络基础建设已经使得带宽得到极大的提升,我们不再会担心由带宽而影响网速,那么就只剩下延迟了。

  • 延迟:
  1. 浏览器阻塞(HOL blocking): 浏览器会因为一些原因阻塞请求。浏览器对于同一个域名,同时只能有 4 个连接(这个根据浏览器内核不同可能会有所差异),超过浏览器最大连接数限制,后续请求就会被阻塞。
  2. DNS 查询(DNS Lookup): 浏览器需要知道目标服务器的 IP 才能建立连接。将域名解析为 IP 的这个系统就是 DNS。这个通常可以利用DNS缓存结果来达到减少这个时间的目的。
  3. 建立连接(Initial connection): HTTP 是基于 TCP 协议的,浏览器最快也要在第三次握手时才能捎带 HTTP 请求报文,达到真正的建立连接,但是这些连接无法复用会导致每次请求都经历三次握手和慢启动。三次握手在高延迟的场景下影响较明显,慢启动则对文件类大请求影响较大。下图为三次握手流程图:
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4.HTTP1.0和HTTP1.1的一些区别

HTTP1.0最早在网页中使用是在1996年,那个时候只是使用一些较为简单的网页上和网络请求上,而HTTP1.1则在1999年才开始广泛应用于现在的各大浏览器网络请求中,同时HTTP1.1也是当前使用最为广泛的HTTP协议。

主要区别主要体现在:

  1. 缓存处理: 在HTTP1.0中主要使用header里的If-Modified-Since,Expires来做为缓存判断的标准,HTTP1.1则引入了更多的缓存控制策略例如Entity tag,If-Unmodified-Since, If-Match, If-None-Match等更多可供选择的缓存头来控制缓存策略。
  2. 带宽优化及网络连接的使用: HTTP1.0中,存在一些浪费带宽的现象,例如客户端只是需要某个对象的一部分,而服务器却将整个对象送过来了,并且不支持断点续传功能,HTTP1.1则在请求头引入了range头域,它允许只请求资源的某个部分,即返回码是206(Partial Content),这样就方便了开发者自由的选择以便于充分利用带宽和连接。
  3. 错误通知的管理: 在HTTP1.1中新增了24个错误状态响应码,如409(Conflict)表示请求的资源与资源的当前状态发生冲突;410(Gone)表示服务器上的某个资源被永久性的删除。
  4. Host头处理: 在HTTP1.0中认为每台服务器都绑定一个唯一的IP地址,因此,请求消息中的URL并没有传递主机名(hostname)。但随着虚拟主机技术的发展,在一台物理服务器上可以存在多个虚拟主机(Multi-homed Web Servers),并且它们共享一个IP地址。HTTP1.1的请求消息和响应消息都应支持Host头域,且请求消息中如果没有Host头域会报告一个错误(400 Bad Request)。
  5. 长连接: HTTP 1.1支持长连接(PersistentConnection)和请求的流水线(Pipelining)处理,在一个TCP连接上可以传送多个HTTP请求和响应,减少了建立和关闭连接的消耗和延迟,其中长连接也就是对应在HTTP1.1中的Connection: keep-alive,一定程度上弥补了HTTP1.0每次请求都要创建连接的缺点。

下图是常见的HTTP1.1的请求和响应在浏览器中的截图:
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5.HTTP1.0和1.1现存的一些问题

  1. HTTP1.0和HTTP1.1可以称做HTTP1.x,正如上面提到过的,HTTP1.x在传输数据时,每次都需要重新建立连接,无疑增加了大量的延迟时间,特别是在移动端更为突出。
  2. HTTP1.x在传输数据时,所有传输的内容都是明文,客户端和服务器端都无法验证对方的身份,这在一定程度上无法保证数据的安全性。
  3. HTTP1.x在使用时,header里携带的内容过大,在一定程度上增加了传输的成本,并且每次请求header基本不怎么变化,尤其在移动端会增加用户流量。
  4. 虽然HTTP1.1支持了keep-alive,来弥补多次创建连接产生的延迟,但是keep-alive使用多了同样会给服务端带来大量的性能压力,并且对于单个文件被不断请求的服务(例如图片存放网站),keep-alive可能会极大的影响性能,因为它在文件被请求之后还保持了不必要的连接很长时间。同样keep-alive也无法解决线头阻塞(Head-of-line blocking, HOL)问题。

6.HTTPS来了

为了解决上面的一些问题,网景在1994年创建了HTTPS,并应用在网景导航者浏览器中。
最初,HTTPS是与SSL一起使用的,在SSL逐渐演变到TLS时(其实两个是一个东西,只是名字不同而已),最新的HTTPS也由在2000年五月公布的RFC 2818正式确定下来。简单来说,HTTPS就是安全版的HTTP,并且由于当今时代对安全性要求更高,Chrome和Firefox都大力支持网站使用HTTPS,苹果也在iOS 10系统中强制APP使用HTTPS来传输数据,由此可见HTTPS势在必行。

7.HTTPS与HTTP的一些区别

  1. HTTPS协议需要到CA申请证书,一般免费证书很少,需要交费。
  2. HTTP是超文本传输协议,信息是明文传输,HTTPS则是具有安全性的TLS加密传输协议。
  3. HTTP和HTTPS使用的是完全不同的连接方式,用的默认端口也不一样,前者是80,后者是443。
  4. HTTPS的连接很简单,HTTPS协议是由TLS+HTTP协议构建的可进行加密传输、身份认证的网络协议,比HTTP协议安全。

8.HTTPS改造

如果一个网站要全站由HTTP替换成HTTPS,可能需要关注以下几点:

  1. 安装CA证书: 一般的证书都是需要收费的,这边推荐一个比较好的购买证书网站:
    1)Let’s Encrypt: 免费,快捷,支持多域名(不是通配符),三条命令就可以签署+导出证书。缺点是暂时只有三个月有效期,到期需续签。
    2)Comodo PositiveSSL: 收费,但是比较稳定。
  2. 配置WEB服务器: 在购买证书之后,在证书提供的网站上配置自己的域名,将证书下载下来之后,配置自己的WEB服务器,同时进行代码改造。
  3. HTTPS会降低用户访问速度: TLS需要握手,HTTPS对速度会有一定程度的降低,但是只要经过合理优化和部署,HTTPS 对速度的影响完全可以接受。在很多场景下,HTTPS 速度完全不逊于 HTTP,如果使用SPDY,HTTPS的速度甚至还要比 HTTP 快。相对于HTTPS降低访问速度,其实更需要关心的是服务器端的CPU压力,HTTPS中大量的密钥算法计算,会消耗大量的CPU资源,只有足够的优化,HTTPS 的机器成本才不会明显增加。

推荐一则淘宝网改造HTTPS的文章。

9.使用SPDY提速你的网站

2012年Google一声惊雷提出了SPDY (发音为"speedy") 的方案,大家才开始从正面看待和解决老版本HTTP协议本身的问题,SPDY可以说是综合了HTTPS和HTTP两者优点于一体的传输协议,主要解决:

  1. 降低延迟: 针对HTTP高延迟的问题,SPDY优雅的采取了多路复用(Multiplexing)。多路复用通过多个请求stream共享一个TCP连接的方式,降低了创建多个TCP的延迟同时提高了带宽的利用率。
  2. 请求优先级(Request Prioritization): 多路复用带来一个新的问题是,在连接共享的基础之上有可能会导致关键请求被阻塞。SPDY允许给每个request设置优先级,这样重要的请求就会优先得到响应。比如浏览器加载首页,首页的html内容应该优先展示,之后才是各种静态资源文件,脚本文件等加载,这样可以保证用户能第一时间看到网页内容。
  3. header压缩: 前面提到HTTP1.x的header很多时候都是重复多余的,而有些header的内容在不压缩的情况下则比较“庞大”(例如cookie和user-agent等)。选择合适的压缩算法可以减小包的大小和数量,不仅可以节省资源,还可以缩短数据传递的延迟。
  4. 基于HTTPS的加密协议传输: 保留了HTTPS的TLS加密特性,大大提高了传输数据的可靠性。
  5. 服务端推送(Server Push): 采用了SPDY的网页,例如我的网页有一个sytle.css的请求,在客户端收到sytle.css数据的同时,服务端会将index.js的文件推送给客户端,当客户端再次尝试获取index.js时就可以直接从缓存中获取到,不用再发请求了。

SPDY构成图:
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SPDY位于HTTP之下,TCP和SSL之上,这样可以轻松兼容老版本的HTTP协议(将HTTP1.x的内容封装成一种新的frame格式),同时可以使用已有的SSL功能。
由于SPDY并不是一个标准协议,后来SPDY也未能单独成为正式标准,不过SPDY开发组的成员全程参与了HTTP2.0的制定过程。SPDY也有自己的兼容性问题,在HTTP2.0出来之后,大部分浏览器将不在支持。兼容性如下图:
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10. HTTP2.0的前世今生

有了HTTP1.x,那么HTTP2.0也就顺理成章的出现了。HTTP2.0可以说是SPDY的升级版(其实原本也是基于SPDY设计的)。但是,HTTP2.0跟SPDY 仍有不同的地方,主要是以下两点:

  1. HTTP2.0消息头的压缩算法采用HPACK算法,而非SPDY采用的DEFLATE算法。
  2. HTTP2.0设计初期支持明文HTTP传输,而SPDY强制使用HTTPS,到后期两者都需要使用HTTPS。

2015年9月,Google 宣布了计划,移除对SPDY的支持,拥抱 HTTP2.0,并将在Chrome 51中生效。

11. HTTP2.0新特性

HTTP2.0的特性大部分和SPDY类似,主要有以下4个:

  1. 新的二进制格式(Binary Format): HTTP1.x的解析是基于文本。基于文本协议的格式解析存在天然缺陷,文本的表现形式有多样性,要做到健壮性考虑的场景必然很多,二进制则不同,只认0和1的组合。基于这种考虑HTTP2.0的协议解析决定采用二进制格式,实现方便且健壮。

  2. 多路复用(MultiPlexing): 即连接共享,即每一个request都是是用作连接共享机制的。一个request对应一个id,这样一个连接上可以有多个request,每个连接的request可以随机的混杂在一起,接收方可以根据request的 id将request再归属到各自不同的服务端请求里面。多路复用原理和keep alive区别如下图:
    图片描述

  3. header压缩: 如上文中所言,对前面提到过HTTP1.x的header带有大量信息,而且每次都要重复发送,HTTP2.0使用encoder来减少需要传输的header大小,通讯双方各自cache一份header fields表,既避免了重复header的传输,又减小了需要传输的大小。

  4. 服务端推送(Server Push): 同SPDY一样,HTTP2.0也具有Server Push功能。

目前,有大多数网站已经启用HTTP2.0,例如YouTuBe,淘宝网等网站,利用Chrome控制台可以查看是否启用Server Push,如下图:
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关于HTTP2.0和HTTP1.x中多路复用的区别,可以形象的用下图表示:
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12. HTTP2.0的升级改造

对比HTTPS的升级改造,HTTP2.0获取会稍微简单一些,你可能需要关注以下问题:

  1. 前文说了HTTP2.0需要基于HTTPS的,并且现在主流的浏览器像Chrome,Firefox表示还是只支持基于TLS部署的HTTP2.0协议,所以要想升级成HTTP2.0还是先升级HTTPS为好。
  2. 当你的网站已经升级HTTPS之后,那么升级HTTP2.0就简单很多,你需要做的就是将服务器进行升级,如果你使用Nginx,需要在配置文件中启动相应的协议就可以了,可以参考《NGINX白皮书》,《NGINX配置HTTP2.0官方指南》。
  3. 使用了HTTP2.0那么,原本的HTTP1.x怎么办,这个问题其实不用担心,HTTP2.0完全兼容HTTP1.x的语义,对于不支持HTTP2.0的浏览器,Nginx会自动向下兼容的。
    在Chrome控制台中的Network面板,可以看到请求采用的HTTP2.0协议,如下图:
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13. HTTP3.0是什么?

HTTP3.0,也称作HTTP over QUIC。HTTP3.0的核心是QUIC(读音quick)协议,由Google在2015年提出的SPDY v3演化而来的新协议,传统的HTTP协议是基于传输层TCP的协议,而QUIC是基于传输层UDP上的协议,可以定义成:HTTP3.0基于UDP的安全可靠的HTTP2.0协议。

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QUIC协议针对基于TCP和TLS的HTTP2.0协议解决了下面的问题:

  1. 减少了TCP三次握手及TLS握手时间: 不管是HTTP1.0/1.1还是 HTTPS,HTTP2.0,都使用了TCP进行传输。HTTPS和HTTP2还需要使用TLS协议来进行安全传输。这就出现了两个握手延迟,而基于UDP协议的QUIC,因为UDP 本身没有连接的概念,连接建立时只需要一次交互,半个握手的时间。区别如下图:图片描述
  2. 多路复用丢包时的线头阻塞问题: QUIC保留了HTTP2.0多路复用的特性,但是即使在多路复用过程中,同一个TCP连接上有多个stream,假如其中一个stream丢包,在重传前后续的stream都会受到影响,而QUIC中一个连接上的多个stream之间没有依赖。所以当发生丢包时,只会影响当前的stream,也就避免了线头阻塞问题。
  3. 优化重传策略: 以往的TCP丢包重传策略是:在发送端为每一个封包标记一个编号 (sequence number),接收端在收到封包时,就会回传一个带有对应编号的ACK封包给发送端,告知发送端封包已经确实收到。当发送端在超过一定时间之后还没有收到回传的 ACK,就会认为封包已经丢失,启动重新传送的机制,复用与原来相同的编号重新发送一次封包,确保在接收端这边没有任何封包漏接。
    这样的机制就会带来一些问题,假设发送端总共对同一个封包发送了两次 (初始 + 重传),使用的都是同一个sequence number:编号N。之后发送端在拿到编号N封包的回传ACK 时,将无法判断这个带有编号N的ACK,是接收端在收到初始封包后回传的ACK。这就会加大后续的重传计算的耗时。QUIC为了避免这个问题,发送端在传送封包时,初始与重传的每一个封包都改用一个新的编号,unique packet number,每一个编号都唯一而且严格递增,这样每次在收到ACK时,就可以依据编号明确的判断这个ACK是来自初始封包或者是重传封包。
  4. 流量控制: 通过流量控制可以限制客户端传输资料量的大小,有了流量控制后,接收端就可以只保留相对应大小的接收 buffer,优化记忆体被占用的空间。但是如果存在一个流量极慢的stream ,光一个stream就有可能佔用掉接收端所有的资源。QUIC为了避免这个潜在的HOL Blocking,采用了连线层 (connection flow control) 和 Stream 层的 (stream flow control) 流量控制,限制单一 Stream 可以占用的最大buffer size。
  5. 连接迁移: TCP连接基于四元组(源 IP、源端口、目的 IP、目的端口),切换网络时至少会有一个因素发生变化,导致连接发生变化。当连接发生变化时,如果还使用原来的 TCP 连接,则会导致连接失败,就得等原来的连接超时后重新建立连接,所以我们有时候发现切换到一个新网络时,即使新网络状况良好,但内容还是需要加载很久。如果实现得好,当检测到网络变化时立刻建立新的 TCP 连接,即使这样,建立新的连接还是需要几百毫秒的时间。
    QUIC 的连接不受四元组的影响,当这四个元素发生变化时,原连接依然维持。QUIC 连接不以四元组作为标识,而是使用一个 64 位的随机数,这个随机数被称为 Connection ID,对应每个stream,即使 IP 或者端口发生变化,只要 Connection ID 没有变化,那么连接依然可以维持。

技术总是在不断发展,留给我们每个开发者就是在学习的道路上不断的折腾,在HTTP协议发展的20多年来,每次标准的更新都会带来一大批的服务器和浏览器厂商升级以及业务的提升。对于一名合格的开发者而言,只有不断的摸索和跟进这些新技术,才能做到不被趋势所淘汰。祝君好运,未来可期。

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