一文串联 HTTP / [0.9 | 1.0 | 1.1 | 2 | 3]

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1989 年,万维网诞生之后,HTTP 迅速成为主导世界的应用层协议。在今天,几乎任何场景都或多或少用到了 HTTP 协议。

在 30 多年的历史中,HTTP 协议本身有比较大的发展,同时,还有一些重大的变动也在酝酿之中。这些演化使得这个协议的表现力更强,性能更好,更能满足日新月异的应用需求。本文就来回顾和展望一下 HTTP 的历史和未来。

  • HTTP/0.9
  • HTTP/1.0
  • HTTP/1.1
  • HTTP/2
  • HTTP/3

HTTP/0.9

HTTP/0.9 诞生于 1991 年,是 HTTP 协议的最初版,构造十分简单:

  • 请求端只支持 GET 请求
  • 响应端只能返回 HTML 文本数据
GET /index.html
<html>
  <body>
    Hello World
  </body>
</html>

请求示意图如下:

HTTP/0.9

可以看到,HTTP/0.9 只能发送 GET 请求,且每一个请求都单独创建一个 TCP 连接,响应端只能返回 HTML 格式的数据,响应完成之后 TCP 请求断开。

这样的请求方式虽然能够满足当时的使用需求,但也还是暴露出了一些问题。

HTTP/0.9 痛点:

  • 请求方式唯一,返回格式唯一
  • TCP 连接无法复用

HTTP/1.0

HTTP/1.0 诞生于 1996 年,它在 HTTP/0.9 的基础上,增加了 HTTP 头部字段,极大扩展了 HTTP 的使用场景。这个版本的 HTTP 不仅可以传输文字,还能传输图像、视频、二进制文件,为互联网的迅速发展奠定了坚实的基础。

核心特点如下:

  • 请求端增加 HTTP 协议版本,响应端增加状态码。
  • 请求方法增加 POST、HEAD。
  • 请求端和响应端增加头部字段。
    • Content-Type 让响应数据不只限于超文本。
    • Expires、Last-Modified 缓存头。
    • Authorization 身份认证。
    • Connection: keep-alive 支持长连接,但非标准。
GET /mypage.html HTTP/1.0
User-Agent: NCSA_Mosaic/2.0 (Windows 3.1)
200 OK
Date: Tue, 15 Nov 1994 08:12:31 GMT
Server: CERN/3.0 libwww/2.17
Content-Type: text/html

<html>
  <body>
    Hello World
  </body>
</html>

请求示意图如下:

HTTP/1.0

可以看到,HTTP/1.0 扩展了请求方法和响应状态码,并且支持定义 HTTP 头部字段,通过 Content-Type 头,我们就能传输任何格式的数据了。同时可以看出,HTTP/1.0 仍然是一个请求对应一个 TCP 连接,不能形成复用。

HTTP/1.0 痛点:

  • TCP 连接无法复用。
  • HTTP 队头阻塞,一个 HTTP 请求响应结束之后,才能发起下一个 HTTP 请求。
  • 一台服务器只能提供一个 HTTP 服务。

HTTP/1.1

HTTP/1.1 诞生于 1999 年,它进一步完善了 HTTP 协议,一直用到了 20 多年后的今天,仍然是使用最广的 HTTP 版本。

核心特点如下:

  • 持久连接。
    • HTTP/1.1 默认开启持久连接,在 TCP 连接建立后不立即关闭,让多个 HTTP 请求得以复用。
  • 管线化技术。
    • HTTP/1.1 中,多个 HTTP 请求不用排队发送,可以批量发送,这就解决了 HTTP 队头阻塞问题。但批量发送的 HTTP 请求,必须按照发送的顺序返回响应,相当于问题解决了一半,仍然不是最佳体验。
  • 支持响应分块。
    • HTTP/1.1 实现了流式渲染,响应端可以不用一次返回所有数据,可以将数据拆分成多个模块,产生一块数据,就发送一块数据,这样客户端就可以同步对数据进行处理,减少响应延迟,降低白屏时间。
    • Bigpipe 的实现就是基于这个特性,具体是通过定义 Transfer-Encoding 头来实现的。
  • 增加 Host 头。
    • HTTP/1.1 实现了虚拟主机技术,将一台服务器分成若干个主机,这样就可以在一台服务器上部署多个网站了。
    • 通过配置 Host 的域名和端口号,即可支持多个 HTTP 服务: Host: <domain>:<port>
  • 其他扩展。
    • 增加 Cache-Control、E-Tag 缓存头。
    • 增加 PUT、PATCH、HEAD、 OPTIONS、DELETE 请求方法。
GET /en-US/docs/Glossary/Simple_header HTTP/1.1
Host: developer.mozilla.org
User-Agent: Mozilla/5.0 (Macintosh; Intel Mac OS X 10.9; rv:50.0) Gecko/20100101 Firefox/50.0
Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,*/*;q=0.8
Accept-Language: en-US,en;q=0.5
Accept-Encoding: gzip, deflate, br
Referer: https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Glossary/Simple_header
200 OK
Connection: Keep-Alive
Content-Encoding: gzip
Content-Type: text/html; charset=utf-8
Date: Wed, 20 Jul 2016 10:55:30 GMT
Etag: "547fa7e369ef56031dd3bff2ace9fc0832eb251a"
Keep-Alive: timeout=5, max=1000
Last-Modified: Tue, 19 Jul 2016 00:59:33 GMT
Server: Apache
Transfer-Encoding: chunked
Vary: Cookie, Accept-Encoding

<html>
  <body>
    Hello World
  </body>
</html>

请求示意图如下:

HTTP/1.1

可以看到,HTTP/1.1 可以并行发起多个请求,并且也能复用同一个 TCP 连接,传输效率得到了提升。但响应端只能按照发送的顺序进行返回,为此很多浏览器会为每个域名至多打开 6 个连接,用增加队列的方式减少 HTTP 队头阻塞。

HTTP/1.1 痛点:

  • HTTP 队头阻塞没有彻底解决,响应端必须按照 HTTP 的发送顺序进行返回,如果排序靠前的响应特别耗时,则会阻塞排序靠后的所有响应。

HTTP/2

HTTP/2 诞生于 2015 年,它的最大的特点是 All in 二进制,基于二进制的特性,对 HTTP 传输效率进行了深度优化。

HTTP/2 将一个 HTTP 请求划分为 3 个部分:

  • 帧:一段二进制数据,是 HTTP/2 传输的最小单位。
  • 消息:一个请求或响应对应的一个或多个帧。
  • 数据流:已建立的连接内的双向字节流,可以承载一条或多条消息。

HTTP/2 数据流、消息和帧

图中可以看到,一个 TCP 连接上有多个数据流,一个数据流承载着双向消息,一条消息包含了多个帧,每个帧都有唯一的标识,指向所在的数据流,来自不同数据流的帧可以交错发送,然后再根据每个帧头的数据流标识符重新组装,这样就实现了数据传输。

HTTP/2 核心特点如下:

  • 请求优先级
    • 多个 HTTP 请求同时发送时,会产生多个数据流,数据流中有一个优先级的标识,服务器端可以根据这个标识来决定响应的优先顺序。
  • 多路复用
    • TCP 传输时,不用按照 HTTP 的发送顺序进行响应,可以交错发送,接收端根据帧首部的标识符,就能找到对应的流,进而重新组合得到最终数据。
  • 服务器端推送
    • HTTP/2 允许服务器未经请求,主动向客户端发送资源,并缓存到客户端中,以避免二次请求。
    • HTTP/1.1 中请求一个页面时,浏览器会先发送一个 HTTP 请求,然后得到响应的 HTML 内容并开始解析,如果发现有 <script src="xxxx.js"> 标签,则会再次发起 HTTP 请求获取对应的 JS 内容。而 HTTP/2 可以在返回 HTML 的同时,将需要用到的 JS、CSS 等内容一并返回给客户端,当浏览器解析到对应标签时,也就不需要再次发起请求了。
  • 头部压缩
    • HTTP/1.1 的头部字段包含大量信息,而且每次请求都得带上,占用了大量的字节。
    • HTTP/2.0 中通信双方各自缓存一份头部字段表,如:把 Content-Type:text/html 存入索引表中,后续如果要用到这个头,只需要发送对应的索引号就可以了。

除此之外,虽然 HTTP/2 没有规定必须使用 TLS 安全协议,但所有实现 HTTP/2 的 Web 浏览器都只支持配置过 TLS 的网站,这是为了鼓励大家使用更加安全的 HTTPS。

请求示意图如下:

HTTP/2

可以看到,在 HTTP/2 中发送请求时,既不需要排队发送,也不需要排队返回,彻底解决了 HTTP 队头阻塞问题。对于头部信息,资源缓存等痛点也进行了优化,似乎已经是一种很完美的方案了。

HTTP/2 在 HTTP + TCP 的架构上已经优化到了极致,如果要想继续优化,那就只能从这个架构入手了。

首先需要优化的是 TCP,因为 TCP 核心是保证传输层的可靠性,传输效率其实并不好。

  • TCP 也存在队头阻塞,TCP 在传输时使用序列号标识数据的顺序,一旦某个数据丢失,后面的数据需要等待这个数据重传后才能进行下一步处理。
  • TCP 每一次建立都需要三次握手,释放连接需要四次挥手,无形中增加了传输时长。
  • TCP 存在拥塞控制,内置了慢启动,拥塞避免等算法,传输效率并不稳定。

如果要解决这些问题,就需要替换掉 TCP,而这也是 HTTP/3 的解决思路,我们接着往下看。

HTTP/3

HTTP/3 目前还在草案阶段,它的主要特点是对传输层进行了优化,使用 QUIC 替换 TCP,彻底规避了 TCP 传输的效率问题。

QUIC 由 Google 提出的基于 UDP 进行多路复用的传输协议。QUIC 没有连接的概念,不需要三次握手,在应用程序层面,实现了 TCP 的可靠性,TLS 的安全性和 HTTP2 的并发性。在设备支持层面,只需要客户端和服务端的应用程序支持 QUIC 协议即可,无操作系统和中间设备的限制。

HTTP/3 核心特点如下:

  • 传输层连接更快。
    • HTTP/3 基于 QUIC 协议,可以实现 0-RTT 建立连接,而 TCP 需要 3-RTT 才能建立连接。

HTTPS 及 QUIC 建连过程

  • 传输层多路复用。
    • HTTP/3 传输层使用 QUIC 协议,数据在传输时会被拆分成了多个 packet 包,每一个 packet 包都可以独立、交错发送,不用按顺序发送,也就避免了 TCP 队头阻塞。

QUIC 多路复用

上图中的 Stream 之间相互独立,如果 Stream2 丢了一个 Pakcet,不会影响 Stream3 和 Stream4 正常读取。

  • 改进的拥塞控制。
    • 单调递增的 Packet Number。在 TCP 中,每一个数据包都有一个序列号标识(seq),如果接收端超时没有收到,就会要求重发标识为 seq 的包,如果这时超时的包也接收到了,则无法区分哪个是超时的包,哪个是重传的包。QUIC 中的每一个包的标识(Packet Number)都是单调递增的,重传的 Packet Number 一定大于超时的 Packet Number,这样就能区分开了。
    • 不允许 Reneging。在 TCP 中,如果接收方内存不够或 Buffer 溢出,则可能会把已接收的包丢弃(Reneging),这种行为对数据重传产生了很大的干扰,在 QUIC 中是明确禁止的。在 QUIC 中,一个包只要被确认,就一定是被正确接收了。
    • 更多的 ACK 块。一般来说,接收方收到发送方的消息后都会发送一个 ACK 标识,表示收到了数据。但每收到一个数据就发送一个 ACK 效率太低了,通常是收到多个数据后再统一回复 ACK。TCP 中每收到 3 个数据包就要返回一个 ACK,而 QUIC 最多可以收到 256 个包之后,才返回 ACK。在丢包率比较严重的网络下,更多的 ACK 块可以减少重传量,提升网络效率。
    • Ack Delay。TCP 计算 RTT 时没有考虑接收方处理数据的延迟,如下图所示,这段延迟即 ACK Delay。QUIC 考虑了这段延迟,使得 RTT 的计算更加准确。

Ack Delay

  • 优化的流量控制。
    • TCP 通过滑动窗口来控制流量,如果某一个包丢失了,滑动窗口并不能跨过丢失的包继续滑动,而是会卡在丢失的位置,等待数据重传后,才能继续滑动。
    • QUIC 流量控制的核心是:不能建立太多的连接,以免响应端处理不过来;不能让某一个连接占用大量的资源,让其他连接没有资源可用。为此 QUIC 流量控制分为 2 个级别:连接级别(Connection Level)和 Stream 级别(Stream Level)。
      • Stream 级别的流量控制中,接收窗口 = 最大接收窗口- 已接收数据
      • Connection 级别的流量控制中,接收窗口 = Stream1接收窗口 + Stream2接收窗口 + ... + StreamN接收窗口
  • 加密认证的报文
    • TCP 头部没有经过任何加密和认证,在传输过程中很容易被中间网络设备篡改,注入和窃听。
    • QUIC 中报文都是经过加密和认证的,在传输过程中保证了数据的安全。
  • 连接迁移
    • TCP 连接是由(源 IP,源端口,目的 IP,目的端口)组成,这四者中一旦有一项发生改变,这个连接也就不能用了。如果我们从 5G 网络切换到 WiFi 网络,IP 地址就会改变,这个时候 TCP 连接也自然断掉了。
    • QUIC 使用客户端生成的 64 位 ID 来表示一条连接,只要 ID 不变,这条连接也就一直维持着,不会中断。
  • 前向纠错机制
    • QUIC 中发送数据时,除了发送本身的数据包,还会发送验证包,以减少数据丢失导致的重传。
    • 例如:
      • 发送端需要发送三个包,QUIC 在传输时会计算出这三个包的异或值,并单独发出一个校验包,也就是总共发出了四个包。
      • 如果某一个包(非校验包)传输时丢失了,则可以通过另外三个包计算出丢失数据包的内容。
      • 当然这种技术只能用在丢失一个包的情况下,如果丢失了多个包,就只能进行重传了。

可以看出,QUIC 丢掉了 TCP 的包袱,基于 UDP,实现了一个安全高效可靠的 HTTP 通信协议。凭借着 0-RTT 建立连接、传输层多路复用、连接迁移、改进的拥塞控制、流量控制等特性,QUIC 在绝大多数场景下获得了比 HTTP/2 更好的效果,HTTP/3 真是未来可期。

思考与总结

本文通过互联网发展历史,从 HTTP/0.9 到 HTTP/3,逐步介绍了每个版本的核心特点,最后再分别一句话总结一下。

  • HTTP/0.9 实现基本请求响应。
  • HTTP/1.0 增加 HTTP 头,丰富传输资源类型,奠定互联网发展基础。
  • HTTP/1.1 增加持久连接、管线化、响应分块,提升了 HTTP 传输效率。
  • HTTP/2 采用二进制传输格式,通过 HTTP 多路复用、头部压缩、服务器端推送,将传输效率在 HTTP + TCP 架构上发挥到了极致。
  • HTTP/3 将传输层替换为 QUIC,通过改进的拥塞控制、流量控制、0-RTT 建连、传输层多路复用、连接迁移等特性,进一步提升了 HTTP 传输效率。

可以看到,从 HTTP/1.1 开始,HTTP 的发展方向就是:不断地提升传输效率。期待未来的 HTTP 能够给我们带来更加快速的传输体验。

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