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HTTP 概述

HTTP 是一种用作获取诸如 HTML 文档这类资源的协议。它是 Web 上进行任何数据交换的基础，同时，也是一种客户端—服务器（client-server）协议，也就是说，请求是由接受方——通常是 Web 浏览器——发起的。完整网页文档通常由文本、布局描述、图片、视频、脚本等资源构成。

由来自不同服务器的多个资源组成的单个 Web 文档。

客户端与服务端之间通过交换一个个独立的消息（而非数据流）进行通信。由客户端发出的消息被称作请求（request），由服务端发出的应答消息被称作响应（response）。

HTTP 作为应用层协议，处于 TCP（传输层）和 IP（网络层）之上，表示层之下。

20 世纪 90 年代，HTTP 作为一套可扩展的协议被设计出来，并随时间不断演进。HTTP 是一种应用层的协议，通过 TCP 或 TLS（一种加密过的 TCP 连接）来发送，当然，理论上来说可以借助任何可靠的传输协议。受益于 HTTP 的可扩展性，时至今日，它不仅可以用来获取超文本文档，还可用来获取图片、视频或者向服务端发送信息，比如填写好的 HTML 表单。HTTP 还可以用来获取文档的部分内容，以便按需更新 Web 页面。

基于 HTTP 的系统的组成

HTTP 是一个客户端—服务器协议：请求由一个实体，即用户代理（user agent），或是一个可以代表它的代理方（proxy）发出。大多数情况下，这个用户代理都是一个 Web 浏览器，不过它也可能是任何东西，比如一个爬取网页来充实、维护搜索引擎索引的机器爬虫。

每个请求都会被发送到一个服务器，它会处理这个请求并提供一个称作响应的回复。在客户端与服务器之间，还有许许多多的被称为代理的实体，履行不同的作用，例如充当网关或缓存。

来自客户端的 HTTP 请求通过多个代理转发到服务器，服务器的响应也沿着同样的路径返回到客户端。

实际上，在浏览器和处理其请求的服务器之间，还有路由器、调制解调器等等许多计算机。归功于 Web 的分层设计，这些机器都隐藏在网络层和传输层内。而 HTTP 位于这些机器之上的应用层。虽然下面的层级在诊断网络问题时很重要，但在描述 HTTP 的设计时，它们大多是不相干的。

客户端：用户代理

用户代理是任何能够代表用户行为的工具。这类工具以浏览器为主，不过，它也可能是工程师和 Web 开发人员调试应用所使用的那些程序。

浏览器总是首先发起请求的那个实体，永远不会是服务端（不过，后来已经加入了一些机制，能够模拟出由服务端发起的消息）。

为了展现一个网页，浏览器需要发送最初的请求来获取描述这个页面的 HTML 文档。接着，解析文档，并发送数个其他请求，相应地获取可执行脚本、展示用的布局信息（CSS）以及其他页面内的子资源（一般是图片和视频等）。然后，Web 浏览器将这些资源整合到一起，展现出一个完整的文档，即网页。在之后的阶段，浏览器中执行的脚本可以获取更多资源，并且浏览器会相应地更新网页。

网页是超文本文档。这意味着有一部分展示的内容会是链接——可以通过激活（通常是点击鼠标）来获取一个新的网页——用户可以通过这些链接指示用户代理并进行 Web 浏览。浏览器会将收到的指示转换成 HTTP 请求，并进一步解析 HTTP 响应，向用户提供清晰的响应。

Web 服务器

在上述通信过程的另一侧是服务器，它负责提供客户端所请求的文档。服务器可以表现为仅有一台机器，但实际上，它可以是共享负载的一组服务器集群（负载均衡）或是其他类型的软件（如缓存、数据库服务、电商服务等），按需完整或部分地生成文档。

服务器不一定只有一台机器，也可以在同一台机器上托管多个服务器软件实例。利用 HTTP/1.1 和 Host 标头，它们甚至可以共用同一个 IP 地址。

代理

在 Web 浏览器和服务器之间，有许多计算机和设备参与传递了 HTTP 消息。依靠 Web 技术栈的层次化的结构，传递过程中的多数操作都位于传输层、网络层或物理层，它们对于 HTTP 应用层而言就是透明的，并默默地对网络性能产生着重要影响。还有一部分实体在应用层参与消息传递，一般被称为代理（Proxy）。代理可以是透明的，即转发它们收到的请求并不做任何修改，也可以表现得不透明，将它传递给服务端之前使用一些手段修改这个请求。代理可以发挥很多种作用：

  • 缓存（可以是公开的也可以是私有的，如浏览器的缓存）
  • 过滤（如反病毒扫描、家长控制...）
  • 负载均衡（让多个服务器服务不同的请求）
  • 认证（控制对不同资源的访问）
  • 日志（使得代理可以存储历史信息）

HTTP 的基本性质

HTTP 是简约的

大体上看，HTTP 被设计得简单且易读，尽管在 HTTP/2 中，HTTP 消息被封装进帧（frame）这点引入了额外的复杂度。HTTP 报文能够被人读懂并理解，向开发者提供了更简单的测试方式，也对初学者降低了门槛。

HTTP 是可扩展的

在 HTTP/1.0 中引入的 HTTP 标头让该协议易于扩展和实验。只要服务器客户端之间对新标头的语义经过简单协商，新功能就可以被加入进来。

HTTP 无状态，但并非无会话

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贯的交互，比如在电商网站中使用购物车功能。尽管 HTTP 根本上来说是无状态的，但借助 HTTP Cookie 就可使用有状态的会话。利用标头的扩展性，HTTP Cookie 被加进了协议工作流程，每个请求之间就能够创建会话，让每个请求都能共享相同的上下文信息或相同的状态。

HTTP 和连接

连接是由传输层来控制的，因此从根本上说不属于 HTTP 的范畴。HTTP 并不需要底层的传输协议是面向连接的，仅仅需要它是可靠的，或不会丢失消息（至少，某个情况下告知错误）。在互联网两个最常用的传输协议中，TCP 是可靠的而 UDP 不是。HTTP 因此而依靠于 TCP 的标准，即面向连接的。

在客户端与服务器能够传递请求、响应之前，这两者间必须建立 TCP 连接，这个过程需要多次往返交互。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。当需要接连发起多个请求时，工作效率相比于它们之间共享同一个 TCP 连接要低。

为了减轻这个缺陷，HTTP/1.1 引入了流水线（已被证明难以实现）和持久化连接：可以通过 Connection 标头来部分控制底层的 TCP 连接。HTTP/2 则更进一步，通过在一个连接中复合多个消息，让这个连接始终活跃并更加高效。

为了设计一种更匹配 HTTP 的传输协议，各种实验正在进行中。例如，Google 正在测试一种基于 UDP 构建，更可靠、高效的传输协议——QUIC。

HTTP 能控制什么

多年以来，良好的扩展性使得 HTTP 涉及到更多的 Web 功能与控制权。在 HTTP 诞生的早期，缓存和认证就可以由这个协议来处理了。而直到 2010 年，放行同源限制的能力才加入到协议中。

以下是可以被 HTTP 控制的常见特性。

  • 缓存：文档如何被缓存可以通过 HTTP 来控制。服务端能指示代理和客户端缓存哪些内容以及缓存多长时间，客户端能够指示中间的缓存代理来忽略已存储的文档。
  • 开放同源限制：为了阻止网络窥听和其它侵犯隐私的问题，Web 浏览器强制在不同网站之间做了严格分割。只有来自于相同来源（same origin）的网页才能够获取一个网页的全部信息。这种限制有时对服务器是一种负担，服务器的 HTTP 标头可以减弱此类严格分离，使得一个网页可以是由源自不同地址的信息拼接而成。某些情况下，放开这些限制还有安全相关的考虑。
  • 认证：一些页面可能会被保护起来，仅让特定的用户进行访问。基本的认证功能可以直接由 HTTP 提供，既可以使用 WWW-Authenticate 或其他类似的标头，也可以用 HTTP cookie 来设置一个特定的会话。
  • 代理服务器和隧道：服务器或客户端常常是处于内网的，对其他计算机隐藏真实 IP 地址。因此 HTTP 请求就要通过代理服务器越过这个网络屏障。并非所有的代理都是 HTTP 代理，例如，SOCKS 协议就运作在更底层。其他的协议，比如 ftp，也能够被这些代理处理。
  • 会话：使用 HTTP Cookie 可以利用服务端的状态将不同请求联系在一起。这就创建了会话，尽管 HTTP 本身是无状态协议。这不仅仅对电商平台购物车很有用，也让任何网站都能够允许用户自由定制内容了。

HTTP 流

当客户端想要和服务器——不管是最终的服务器还是中间的代理——进行信息交互时，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与服务器的 TCP 连接。

  2. 发送一个 HTTP 报文：HTTP 报文（在 HTTP/2 之前）是人类可读的。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。例如：

    http
    GET / HTTP/1.1
Host: developer.mozilla.org
Accept-Language: zh

  3. 读取服务端返回的报文信息：

    http
    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>…（此处是所请求网页的 29769 字节）

  4. 关闭连接或者为后续请求重用连接。

当启用 HTTP 流水线时，后续请求都可以直接发送，而不用等待第一个响应被全部接收。然而 HTTP 流水线已被证明很难在现有的网络中实现，因为现有网络中有老旧的软件与现代版本的软件同时存在。因此，HTTP 流水线已在 HTTP/2 中被更健壮、使用帧的多路复用请求所取代。

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，比如报文标头的压缩以及多路复用。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：

带标头的 HTTP GET 请求概览

请求由以下元素组成：

  • HTTP 方法，通常是由一个动词，像 GET、POST 等，或者一个名词，像 OPTIONS、HEAD 等，来定义客户端执行的动作。典型场景有：客户端意图获取某个资源（使用 GET）；发送 HTML 表单的参数值（使用 POST）；以及其他情况下需要的那些其他操作。
  • 要获取的那个资源的路径——去除了当前上下文中显而易见的信息之后的 URL，比如说，它不包括协议（http://）、域名（这里是 developer.mozilla.org），或是 TCP 的端口（这里是 80）。
  • HTTP 协议版本号。
  • 为服务端表达其他信息的可选标头。
  • 请求体（body），类似于响应中的请求体，一些像 POST 这样的方法，请求体内包含需要了发送的资源。

响应

HTTP 响应的一个例子：

对 GET 请求的“200 OK”HTTP 响应（包括响应标头）的概览。

响应报文包含了下面的元素：

  • HTTP 协议版本号。
  • 状态码，来指明对应请求已成功执行与否，以及不成功时相应的原因。
  • 状态信息，这个信息是一个不权威、简短的状态码描述。
  • HTTP 标头，与请求标头类似。
  • 可选项，一个包含了被获取资源的主体。

基于 HTTP 的 API

Fetch API 是基于 HTTP 的最常用 API，其可用于在 JavaScript 中发起 HTTP 请求。Fetch API 取代了 XMLHttpRequest API。

另一种 API，server-sent 事件，是一种单向服务，允许服务端借助作为 HTTP 传输机制向客户端发送事件。使用 EventSource 接口，客户端可打开连接并创建事件处理器。客户端浏览器自动将 HTTP 流里到达的消息转换为适当的 Event 对象。继而将已知类型的事件，传递给先前注册过的事件处理器，其他未指明类型的事件则传递给 onmessage 事件处理器。

总结

HTTP 是一种简单、易用、具有可扩展性的协议，其客户端—服务器模式的结构，加上能够增加标头的能力，使得 HTTP 随 Web 中不断扩展的能力一起发展。

虽然增加了一些复杂度——为了提高性能，HTTP/2 将 HTTP 报文嵌入到帧中——但是报文的基本结构自 HTTP/1.0 起仍保持不变。会话流依旧基础，通过 HTTP 网络监视器就可以查看和调试。

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