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HTTP 概述

12 - HTTP概述

HTTP 是一种能够获取如 HTML 这样的网络资源的 protocol(通讯协议)。它是在 Web 上进行数据交换的基础,是一种 client-server 协议,也就是说,请求通常是由像浏览器这样的接受方发起的。一个完整的 Web 文档通常是由不同的子文档拼接而成的,像是文本、布局描述、图片、视频、脚本等等。

客户端和服务端通过交换各自的消息(与数据流正好相反)进行交互。由像浏览器这样的客户端发出的消息叫做 requests,被服务端响应的消息叫做 responses。

12 - HTTP概述HTTP 被设计于 20 世纪 90 年代初期,是一种可扩展的协议。它是应用层的协议,通过 TCP,或者是 TLS-加密的 TCP 连接来发送,理论上任何可靠的传输协议都可以使用。因为其良好的扩展性,时至今日,它不仅被用来传输超文本文档,还用来传输图片、视频或者向服务器发送如 HTML 表单这样的信息。HTTP 还可以根据网页需求,仅获取部分 Web 文档内容更新网页。

基于 HTTP 的组件系统

HTTP 是一个 client-server 协议:请求通过一个实体被发出,实体也就是用户代理。大多数情况下,这个用户代理都是指浏览器,当然它也可能是任何东西,比如一个爬取网页生成维护搜索引擎索引的机器爬虫。

每一个发送到服务器的请求,都会被服务器处理并返回一个消息,也就是 response。在这个请求与响应之间,还有许许多多的被称为 proxies 的实体,他们的作用与表现各不相同,比如有些是网关,还有些是 caches 等。

12 - HTTP概述

实际上,在一个浏览器和处理请求的服务器之间,还有路由器、调制解调器等许多计算机。由于 Web 的层次设计,那些在网络层和传输层的细节都被隐藏起来了。HTTP 位于最上层的应用层。虽然底层对于分析网络问题非常重要,但是大多都跟对 HTTP 的描述不相干。

客户端:user-agent

user-agent 就是任何能够为用户发起行为的工具。这个角色通常都是由浏览器来扮演。一些例外情况,比如是工程师使用的程序,以及 Web 开发人员调试应用程序。

浏览器总是作为发起一个请求的实体,他永远不是服务器(虽然近几年已经出现一些机制能够模拟由服务器发起的请求消息了)。

要展现一个网页,浏览器首先发送一个请求来获取页面的 HTML 文档,再解析文档中的资源信息发送其他请求,获取可执行脚本或 CSS 样式来进行页面布局渲染,以及一些其它页面资源(如图片和视频等)。然后,浏览器将这些资源整合到一起,展现出一个完整的文档,也就是网页。浏览器执行的脚本可以在之后的阶段获取更多资源,并相应地更新网页。

一个网页就是一个超文本文档。也就是说,有一部分显示的文本可能是链接,启动它(通常是鼠标的点击)就可以获取一个新的网页,使得用户可以控制客户端进行网上冲浪。浏览器来负责发送 HTTP 请求,并进一步解析 HTTP 返回的消息,以向用户提供明确的响应。

Web 服务端

在上述通信过程的另一端,是由 Web Server 来服务并提供客户端所请求的文档。Server 只是虚拟意义上代表一个机器:它可以是共享负载(负载均衡)的一组服务器组成的计算机集群,也可以是一种复杂的软件,通过向其他计算机(如缓存,数据库服务器,电子商务服务器 …)发起请求来获取部分或全部资源。

Server 不一定是一台机器,但一个机器上可以装载的众多 Servers。在 HTTP/1.1 和Host头部中,它们甚至可以共享同一个 IP 地址。

代理(Proxies)

在浏览器和服务器之间,有许多计算机和其他设备转发了 HTTP 消息。由于 Web 栈层次结构的原因,它们大多都出现在传输层、网络层和物理层上,对于 HTTP 应用层而言就是透明的,虽然它们可能会对应用层性能有重要影响。还有一部分是表现在应用层上的,被称为代理(Proxies)。代理(Proxies)既可以表现得透明,又可以不透明(“改变请求” 会通过它们)。代理主要有如下几种作用:

  • 缓存(可以是公开的也可以是私有的,像浏览器的缓存)
  • 过滤(像反病毒扫描,家长控制…)
  • 负载均衡(让多个服务器服务不同的请求)
  • 认证(对不同资源进行权限管理)
  • 日志记录(允许存储历史信息)

HTTP 的基本性质

HTTP 是简单的

虽然下一代 HTTP/2 协议将 HTTP 消息封装到了帧(frames)中,HTTP 大体上还是被设计得简单易读。HTTP 报文能够被人读懂,还允许简单测试,降低了门槛,对新人很友好。

HTTP 是可扩展的

在 HTTP/1.0 中出现的 HTTP headers 让协议扩展变得非常容易。只要服务端和客户端就新 headers 达成语义一致,新功能就可以被轻松加入进来。

HTTP 是无状态,有会话的

HTTP 是无状态的:在同一个连接中,两个执行成功的请求之间是没有关系的。这就带来了一个问题,用户没有办法在同一个网站中进行连续的交互,比如在一个电商网站里,用户把某个商品加入到购物车,切换一个页面后再次添加了商品,这两次添加商品的请求之间没有关联,浏览器无法知道用户最终选择了哪些商品。而使用 HTTP 的头部扩展,HTTP Cookies 就可以解决这个问题。把 Cookies 添加到头部中,创建一个会话让每次请求都能共享相同的上下文信息,达成相同的状态。

注意,HTTP 本质是无状态的,使用 Cookies 可以创建有状态的会话。

HTTP 和连接

一个连接是由传输层来控制的,这从根本上不属于 HTTP 的范围。HTTP 并不需要其底层的传输层协议是面向连接的,只需要它是可靠的,或不丢失消息的(至少返回错误)。在互联网中,有两个最常用的传输层协议:TCP 是可靠的,而 UDP 不是。因此,HTTP 依赖于面向连接的 TCP 进行消息传递,但连接并不是必须的。

在客户端(通常指浏览器)与服务器能够交互(客户端发起请求,服务器返回响应)之前,必须在这两者间建立一个 TCP 链接,打开一个 TCP 连接需要多次往返交换消息(因此耗时)。HTTP/1.0 默认为每一对 HTTP 请求/响应都打开一个单独的 TCP 连接。当需要连续发起多个请求时,这种模式比多个请求共享同一个 TCP 链接更低效。

为了减轻这些缺陷,HTTP/1.1 引入了流水线(被证明难以实现)和持久连接的概念:底层的 TCP 连接可以通过Connection头部来被部分控制。HTTP/2 则发展得更远,通过在一个连接复用消息的方式来让这个连接始终保持为暖连接。

为了更好的适合 HTTP,设计一种更好传输协议的进程一直在进行。Google 就研发了一种以 UDP 为基础,能提供更可靠更高效的传输协议 QUIC

HTTP 能控制什么

多年以来,HTTP 良好的扩展性使得越来越多的 Web 功能归其控制。缓存和认证很早就可以由 HTTP 来控制了。另一方面,对同源同域的限制到 2010 年才有所改变。

以下是可以被 HTTP 控制的常见特性。

  • 缓存 
    文档如何缓存能通过 HTTP 来控制。服务端能告诉代理和客户端哪些文档需要被缓存,缓存多久,而客户端也能够命令中间的缓存代理来忽略存储的文档。
  • 开放同源限制
    为了防止网络窥听和其它隐私泄漏,浏览器强制对 Web 网站做了分割限制。只有来自于相同来源的网页才能够获取网站的全部信息。这样的限制有时反而成了负担,HTTP 可以通过修改头部来开放这样的限制,因此 Web 文档可以是由不同域下的信息拼接成的(某些情况下,这样做还有安全因素考虑)。
  • 认证
    一些页面能够被保护起来,仅让特定的用户进行访问。基本的认证功能可以直接通过 HTTP 提供,使用Authenticate相似的头部即可,或用 HTTP Cookies 来设置指定的会话。
  • 代理和隧道
    通常情况下,服务器和/或客户端是处于内网的,对外网隐藏真实 IP 地址。因此 HTTP 请求就要通过代理越过这个网络屏障。但并非所有的代理都是 HTTP 代理。例如,SOCKS 协议的代理就运作在更底层,一些像 FTP 这样的协议也能够被它们处理。
  • 会话 
    使用 HTTP Cookies 允许你用一个服务端的状态发起请求,这就创建了会话。虽然基本的 HTTP 是无状态协议。这很有用,不仅是因为这能应用到像购物车这样的电商业务上,更是因为这使得任何网站都能轻松为用户定制展示内容了。

HTTP 流

当客户端想要和服务端进行信息交互时(服务端是指最终服务器,或者是一个中间代理),过程表现为下面几步:

  1. 打开一个 TCP 连接:TCP 连接被用来发送一条或多条请求,以及接受响应消息。客户端可能打开一条新的连接,或重用一个已经存在的连接,或者也可能开几个新的 TCP 连接连向服务端。
  2. 发送一个 HTTP 报文:HTTP 报文(在 HTTP/2 之前)是语义可读的。在 HTTP/2 中,这些简单的消息被封装在了帧中,这使得报文不能被直接读取,但是原理仍是相同的。
    GET / HTTP/1.1
    Host: developer.mozilla.org
    Accept-Language: fr
  3. 读取服务端返回的报文信息:
    HTTP/1.1 200 OK
    Date: Sat, 09 Oct 2010 14:28:02 GMT
    Server: Apache
    Last-Modified: Tue, 01 Dec 2009 20:18:22 GMT
    ETag: "51142bc1-7449-479b075b2891b"
    Accept-Ranges: bytes
    Content-Length: 29769
    Content-Type: text/html
    
    <!DOCTYPE html... (here comes the 29769 bytes of the requested web page)
  4. 关闭连接或者为后续请求重用连接。

当 HTTP 流水线启动时,后续请求都可以不用等待第一个请求的成功响应就被发送。然而 HTTP 流水线已被证明很难在现有的网络中实现,因为现有网络中有很多老旧的软件与现代版本的软件共存。因此,HTTP 流水线已被在有多请求下表现得更稳健的 HTTP/2 的帧所取代。

HTTP 报文

HTTP/1.1 以及更早的 HTTP 协议报文都是语义可读的。在 HTTP/2 中,这些报文被嵌入到了一个新的二进制结构,帧。帧允许实现很多优化,比如报文头部的压缩和复用。即使只有原始 HTTP 报文的一部分以 HTTP/2 发送出来,每条报文的语义依旧不变,客户端会重组原始 HTTP/1.1 请求。因此用 HTTP/1.1 格式来理解 HTTP/2 报文仍旧有效。

有两种 HTTP 报文的类型,请求与响应,每种都有其特定的格式。

请求

HTTP 请求的一个例子:

12 - HTTP概述

请求由以下元素组成:

  • 一个 HTTP 的 method,经常是由一个动词像GETPOST 或者一个名词像OPTIONSHEAD来定义客户端的动作行为。通常客户端的操作都是获取资源(GET 方法)或者发送 HTML form 表单值(POST 方法),虽然在一些情况下也会有其他操作。
  • 要获取的资源的路径,通常是上下文中就很明显的元素资源的 URL,它没有 protocolhttp://),domaindeveloper.mozilla.org),或是 TCP 的 port(HTTP 一般在 80 端口)。
  • HTTP 协议版本号。
  • 为服务端表达其他信息的可选头部 headers
  • 对于一些像 POST 这样的方法,报文的 body 就包含了发送的资源,这与响应报文的 body 类似。

响应

HTTP 响应的一个例子:

12 - HTTP概述

响应报文包含了下面的元素:

  • HTTP 协议版本号。
  • 一个状态码(status code),来告知对应请求执行成功或失败,以及失败的原因。
  • 一个状态信息,这个信息是非权威的状态码描述信息,可以由服务端自行设定。
  • HTTP headers,与请求头部类似。
  • 可选项,比起请求报文,响应报文中更常见地包含获取的资源 body。

基于 HTTP 的 APIs

基于 HTTP 的最常用 API 是XMLHttpRequest API,可用于在 user agent 和服务器之间交换数据。 现代Fetch API提供相同的功能,具有更强大和灵活的功能集。

另一种 API,即服务器发送的事件,是一种单向服务,允许服务器使用 HTTP 作为传输机制向客户端发送事件。 使用EventSource接口,客户端打开连接并建立事件句柄。 客户端浏览器自动将到达 HTTP 流的消息转换为适当的Event对象,并将它们传递给专门处理这类type事件的句柄,如果有这么个句柄的话。但如果相应的事件处理句柄根本没有建立,那就交给onmessage事件处理程序处理。

总结

HTTP 是一种简单可扩展的协议,其 Client-Server 的结构以及轻松扩展头部信息的能力使得 HTTP 可以和 Web 共同发展。

即使 HTTP/2 为了提高性能将 HTTP 报文嵌入到帧中这一举措增加了复杂度,但是从 Web 应用的角度看,报文的基本结构没有变化,从 HTTP/1.0 发布起就是这样的结构。会话流依旧简单,通过一个简单的 HTTP message monitor 就可以查看和纠错。

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