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《浏览器工作原理与实践》笔记之HTTP诞生到HTTP 1.1

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《浏览器工作原理与实践》笔记之HTTP诞生到HTTP 1.1

HTTP 0.9

HTTP协议最早的版本是0.9版本,于1991年提出,其需求很简单——用来在网络之间传递 HTML 超文本的内容。 完整的请求流程如下:

  • 因为 HTTP 都是基于 TCP 协议的,所以客户端先要根据 IP 地址、端口和服务器建立 TCP 连接,而建立连接的过程就是 TCP 协议三次握手的过程。
  • 建立好连接之后,会发送一个 GET 请求行的信息,如GET /index.html用来获取 index.html。
  • 服务器接收请求信息之后,读取对应的 HTML 文件,并将数据以 ASCII 字符流返回给客户端。
  • HTML 文档传输完成后,断开连接。

0.9版本有以下三个特点。

  • 第一个是只有一个请求行,并没有 HTTP 请求头和请求体,因为只需要一个请求行就可以完整表达客户端的需求了。
  • 第二个是服务器也没有返回头信息,这是因为服务器端并不需要告诉客户端太多信息,只需要返回数据就可以了。
  • 第三个是返回的文件内容是以 ASCII 字符流来传输的,因为都是 HTML 格式的文件,所以使用 ASCII 字节码来传输是最合适的。
HTTP 1.0

随着新兴网络都带来了新的需求。首先在浏览器中展示的不单是 HTML 文件了,还包括了 JavaScript、CSS、图片、音频、视频等不同类型的文件。因此支持多种类型的文件下载是 HTTP/1.0 的一个核心诉求,而且文件格式不仅仅局限于 ASCII 编码,还有很多其他类型编码的文件。

那为了让客户端和服务器能更深入地交流,HTTP/1.0 引入了请求头和响应头,它们都是以为 Key-Value 形式保存的,在 HTTP 发送请求时,会带上请求头信息,服务器返回数据时,会先返回响应头信息。

那 HTTP/1.0 是怎么通过请求头和响应头来支持多种不同类型的数据呢?

要支持多种类型的文件,我们就需要解决以下几个问题:

  • 首先,浏览器需要知道服务器返回的数据是什么类型的,然后浏览器才能根据不同的数据类型做针对性的处理。
  • 其次,由于万维网所支持的应用变得越来越广,所以单个文件的数据量也变得越来越大。为了减轻传输性能,服务器会对数据进行压缩后再传输,所以浏览器需要知道服务器压缩的方法。
  • 再次,由于万维网是支持全球范围的,所以需要提供国际化的支持,服务器需要对不同的地区提供不同的语言版本,这就需要浏览器告诉服务器它想要什么语言版本的页面。
  • 最后,由于增加了各种不同类型的文件,而每种文件的编码形式又可能不一样,为了能够准确地读取文件,浏览器需要知道文件的编码类型。

HTTP/1.0 除了对多文件提供良好的支持外,还依据当时实际的需求引入了很多其他的特性,这些特性都是通过请求头和响应头来实现的。下面我们来看看新增的几个典型的特性:

  • 有的请求服务器可能无法处理,或者处理出错,这时候就需要告诉浏览器服务器最终处理该请求的情况,这就引入了状态码。状态码是通过响应行的方式来通知浏览器的。
  • 为了减轻服务器的压力,在 HTTP/1.0 中提供了 Cache 机制,用来缓存已经下载过的数据。
  • 服务器需要统计客户端的基础信息,比如 Windows 和 macOS 的用户数量分别是多少,所以 HTTP/1.0 的请求头中还加入了用户代理的字段。
HTTP 1.1

对HTTP 1.0进行缝缝补补

  • 改进持久连接

    HTTP/1.0 每进行一次 HTTP 通信,都需要经历建立 TCP 连接、传输 HTTP 数据和断开 TCP 连接三个阶段。 HTTP/1.1 中增加了持久连接的方法,它的特点是在一个 TCP 连接上可以传输多个 HTTP 请求,只要浏览器或者服务器没有明确断开连接,那么该 TCP 连接会一直保持。 持久连接在 HTTP/1.1 中是默认开启的,所以你不需要专门为了持久连接去 HTTP 请求头设置信息,如果你不想要采用持久连接,可以在 HTTP 请求头中加上Connection: close。目前浏览器中对于同一个域名,默认允许同时建立 6 个 TCP 持久连接。

  • 不成熟的 HTTP 管线化

    持久连接虽然能减少 TCP 的建立和断开次数,但是它需要等待前面的请求返回之后,才能进行下一次请求。如果 TCP 通道中的某个请求因为某些原因没有及时返回,那么就会阻塞后面的所有请求,这就是著名的队头阻塞的问题。HTTP/1.1 中试图通过管线化的技术来解决队头阻塞的问题。HTTP/1.1 中的管线化是指将多个 HTTP 请求整批提交给服务器的技术,虽然可以整批发送请求,不过服务器依然需要根据请求顺序来回复浏览器的请求。

  • 提供虚拟主机的支持

    在 HTTP/1.0 中,每个域名绑定了一个唯一的 IP 地址,因此一个服务器只能支持一个域名。但是随着虚拟主机技术的发展,需要实现在一台物理主机上绑定多个虚拟主机,每个虚拟主机都有自己的单独的域名,这些单独的域名都公用同一个 IP 地址。 因此,HTTP/1.1 的请求头中增加了 Host 字段,用来表示当前的域名地址,这样服务器就可以根据不同的 Host 值做不同的处理。

  • 对动态生成的内容提供了完美支持

    在设计 HTTP/1.0 时,需要在响应头中设置完整的数据大小,如Content-Length: 901,这样浏览器就可以根据设置的数据大小来接收数据。不过随着服务器端的技术发展,很多页面的内容都是动态生成的,因此在传输数据之前并不知道最终的数据大小,这就导致了浏览器不知道何时会接收完所有的文件数据。 HTTP/1.1 通过引入 Chunk transfer 机制来解决这个问题,服务器会将数据分割成若干个任意大小的数据块,每个数据块发送时会附上上个数据块的长度,最后使用一个零长度的块作为发送数据完成的标志。这样就提供了对动态内容的支持。

  • 客户端 Cookie、安全机制

HTTP 1.1 存在问题

  • TCP 的慢启动

    一旦一个 TCP 连接建立之后,就进入了发送数据状态,刚开始 TCP 协议会采用一个非常慢的速度去发送数据,然后慢慢加快发送数据的速度,直到发送数据的速度达到一个理想状态,我们把这个过程称为慢启动。

  • 同时开启了多条 TCP 连接,那么这些连接会竞争固定的带宽。

    系统同时建立了多条 TCP 连接,当带宽充足时,每条连接发送或者接收速度会慢慢向上增加;而一旦带宽不足时,这些 TCP 连接又会减慢发送或者接收的速度。比如一个页面有 200 个文件,使用了 3 个 CDN,那么加载该网页的时候就需要建立 6 * 3,也就是 18 个 TCP 连接来下载资源;在下载过程中,当发现带宽不足的时候,各个 TCP 连接就需要动态减慢接收数据的速度。 多条 TCP 连接之间又不能协商让哪些关键资源优先下载,这样就有可能影响那些关键资源的下载速度了。

  • HTTP/1.1 队头阻塞的问题

    在 HTTP/1.1 中使用持久连接时,虽然能公用一个 TCP 管道,但是在一个管道中同一时刻只能处理一个请求,在当前的请求没有结束之前,其他的请求只能处于阻塞状态。这意味着我们不能随意在一个管道中发送请求和接收内容。 浏览器生成页面是希望能提前接收数据的,队头阻塞使得这些数据不能并行请求,所以队头阻塞是很不利于浏览器优化的。

本文截取自《浏览器工作原理与实践》29 | HTTP/1:HTTP性能优化

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