Java 面试题：HTTP版本演变--xunznux

HTTP版本演变

目前为止，HTTP 常见的版本有 HTTP/1.1，HTTP/2.0，HTTP/3.0，不同版本的 HTTP 特性是不一样的。

HTTP/0.9

HTTP/0.9 是最早的HTTP版本，在1991年就已经发布，只支持GET方法，也没有请求头，服务器只能返回 HTML格式的内容。

HTTP/1.0

HTTP/1.0 是HTTTP 协议的第一个正式版本，主要具有以下特性:

• 引入了请求头和响应头，支持多种请求方法和状态码
• 不支持持久连接，每次请求都需要建立新的连接

HTTP/1.1

新引入：

• 引入长连接：只要客户端和服务器任意⼀端没有明确提出断开连接，则保持TCP连接状态。
• 管道网络传输，管道化技术：同一个 TCP 连接里面，客户端可以发起多个请求，只要第一个请求发出去了，不必等其回来，就可以发第二个请求出去。
• 管道解决了请求的队头阻塞问题，但是没有解决响应的队头阻塞。

问题：

• 头部冗余：每个请求和响应都需要带有一定的头部信息，每次互相发送相同的首部造成的浪费较多；
• 服务器是按请求的顺序响应的，如果服务器响应慢，会招致客户端一直请求不到数据，也就是响应队头阻塞；
• 没有请求优先级控制；
• 请求只能从客户端开始，服务器只能被动响应。

长连接是什么：

持久连接，只要客户端和服务器任意⼀端没有明确提出断开连接，则保持TCP连接状态。

管道网络传输：

在同一个 TCP 连接里面，客户端可以发起多个请求，只要第一个请求发出去了，不必等其回来，就可以发第二个请求出去，可以减少整体的响应时间。
客户端需要请求两个资源。以前的做法是，在同一个 TCP 连接里面，先发送 A请求，然后等待服务器做出回应收到后再发出 B 请求。那么，管道机制则是允许浏览器同时发出 A请求和 B 请求。
但是服务器必须按照接收请求的顺序发送对这些管道化请求的响应，如果服务端在处理 A 请求时耗时比较长，那么后续的请求的处理都会被阻塞住，这称为「队头堵塞」。所以，HTTP/1.1 管道解决了请求的队头阻塞，但是没有解决响应的队头阻塞。
HTTP/1.1 管道化技术不是默认开启，而且浏览器基本都没有支持。

队头阻塞是什么？

当顺序发送的请求序列中的一个请求因为某种原因被阻塞时，在后面排队的所有请求也一同被阻塞了，会招致客户端一直请求不到数据，这也就是「队头阻塞」。
http队首阻塞：简单理解就是需要排队，队首的事情没有处理完的时候，后面的人都要等着。
队头阻塞”与短连接和长连接无关，而是由 HTTP 基本的“请求 - 应答”机制所导致的。因为 HTTP 规定报文必须是“一发一收”，这就形成了一个先进先出的“串行”队列。
而http的队首阻塞，在管道化和非管道化下，表现是不同的。
http1.0的队首阻塞 ( 非管道化下 ) ：对于同一个tcp连接，所有的http1.0请求放入队列中，只有前一个请求的响应收到了，然后才能发送下一个请求，由下图可以看到，如果前一个请求卡着了，那么队列中后续的http就会阻塞。可见，http1.0的队首组阻塞在客户端。
http1.1的队首阻塞 ( 管道化下 ）：对于同一个tcp连接，开启管道化后，http1.1允许一次发送多个http1.1请求，也就是说，不必等前一个响应收到，就可以发送下一个请求，这样就解决了http1.0的客户端的队首阻塞。但是，http1.1规定，服务器端的响应的发送要根据请求被接收的顺序排队，也就是说，先接收到的请求需要先响应回来。这样造成的问题是，如果最先收到的请求的处理时间长的话，响应生成也慢，就会阻塞已经生成了的响应的发送。也会造成队首阻塞,响应的阻塞。可见，应用管道化技术后，http1.1的队首阻塞发生在服务器端。
因此说，HTTP/1.1 管道解决了请求的队头阻塞，但是没有解决响应的队头阻塞。

解决http队头阻塞的方法：

1、并发TCP连接（浏览器一个域名采用6-8个TCP连接，并发HTTP请求），可以理解成增加了任务队列，不会导致一个任务阻塞了该任务队列的其他任务。
2、域名分片（多个域名，可以建立更多的TCP连接，从而提高HTTP请求的并发）可以在一个域名下分出多个二级域名出来，而它们最终指向的还是同一个服务器，这样子的话就可以并发处理的任务队列更多，也更好的解决了队头阻塞的问题。
3、HTTP2方式（多路复用特性）

HTTP1.1常见性能问题

• 延迟难以下降，虽然现在网络的「带宽」相比以前变多了，但是延迟降到一定幅度后，就很难再下降了，说白了就是到达了延迟的下限；
• 并发连接有限，谷歌浏览器最大并发连接数是6个，而且每一个连接都要经过 TCP 和 TLS握手耗时，以及TCP 慢启动过程给流量带来的影响；
• 队头阻塞问题，同一连接只能在完成一个 HTTP 事务(请求和响应)后，才能处理下一个事务；HTTP 头部巨大且重复，由于 HTTP 协议是无状态的，每一个请求都得携带 HTTP 头部，特别是对于有携带cookie 的头部，而 cookie 的大小通常很大；
• 不支持服务器推送消息，因此当客户端需要获取通知时，只能通过定时器不断地拉取消息，这无疑浪费大量了带宽和服务器资源。

为解决HTTP1.1性能问题而提出的常见优化手段

• 将多张小图合并成一张大图供浏览器 JavaScript来切割使用，这样可以将多个请求合并成一个请求，但是带来了新的问题，当某张小图片更新了，那么需要重新请求大图片，浪费了大量的网络带宽；
• 将图片的二进制数据通过 base64 编码后，把编码数据嵌入到 HTML或 CSS 文件中，以此来减少网络请求次数；
• 将多个体积较小的 JavaScript 文件使用 webpack 等工具打包成一个体积更大的 JavaScript 文件，以一个请求替代了很多个请求，但是带来的问题，当某个 js 文件变化了，需要重新请求同一个包里的所有 js 文件；
• 将同一个页面的资源分散到不同域名，提升并发连接上限，因为浏览器通常对同一域名的 HTTP 连接最大只能是6个。
  总的来说：
• 将多个小资源合并为一个大资源，从而将多个请求合并为一个请求，减少请求次数，带来的问题是其中一个资源变化却需要更新所有资源，占用了带宽；
• 将同一个页面的资源分散到不同的域名，提升并发连接上限，因为浏览器对同一域名的 HTTP 连接最大只能是6个。

HTTP/2

HTTP/2 协议是基于 HTTPS 的, 所以HTTP/2的安全性也是有保障的。
HTTP2协议还包括：流控制、流状态、依赖关系等。

1、兼容HTTP1.1

1. 第一点，HTTP/2 没有在 URI里引入新的协议名，仍然用「http://」表示明文协议，用「https://」表示加密协议,于是只需要浏览器和服务器在背后自动升级协议，这样可以让用户意识不到协议的升级，很好的实现了协议的平滑升级。
2. 第二点，只在应用层做了改变，还是基于 TCP 协议传输，应用层方面为了保持功能上的兼容，HTTP/2 把 HTTP 分解成了「语义」和「语法」两个部分，「语义」层不做改动，与 HTTP/1.1 完全一致，比如请求方法、状态码、头字段等规则保留不变。但是，HTTP/2 在「语法」层面做了很多改造，基本改变了 HTTP 报文的传输格式。

2、头部压缩

HTTP/2 使用 HPACK 压缩算法对请求和响应头部进行压缩，减少了传输的头部数据量，降低了延迟。
HPACK算法包含三个组成部分：
（i）静态字典
（ii）动态字典
（iii）Huffman编码（压缩算法）
客户端和服务器都会建立和维护【字典】，用长度较小的索引号表示重复的字符串，再用 Huffman 编码压缩数据。
为什么要压缩头部？

1. 含很多固定的字段，比如Cookie、User Agent、Accept等，这些字段加起来也高达几百字节甚至上千字节,所以有必要压缩;
2. 大量的请求和响应的报文里有很多字段值都是重复的，这样会使得大量带宽被这些冗余的数据占用了，所以有必要避免重复性;
3. 字段是 ASCI 编码的，虽然易于人类观察，但效率低，所以有必要改成二进制编码。

3、二进制帧

二进制帧: HTTP/2 将数据分割成二进制帧进行传输，分为头信息帧(Headers Frame)和数据帧(Data Frame)，增加了数据传输的效率。
HTTP2更厉害的地方在于: 将HTTP1的文本格式改成二进制格式传输数据，极大提高了HTTP传输效率，而且二进
制数据使用位运算能高效解析。
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4、Stream并发传输（多路复用）

引出了 Stream 概念，多个 Stream 复用在一条 TCP 连接，针对不同的 HTTP 请求用独一无二的Stream ID 来区分，接收端可以通过 Stream lD 有序组装成 HTTP 消息，不同 Stream 的帧是可以乱序发送的，因此可以并发不同的 Stream ，也就是 HTTP/2 可以并行交错地发送请求和响应。
流标识符：用来标识该Frame属于哪个Stream。接收方可以根据这个信息从乱序的帧里找到相同Stream ID的帧，从而有序组装信息。

• HTTP1.1 基于请求-响应模型。同一个连接中，HTTP完成一个事务(请求与响应)，才能处理下一个事务。即:再发出请求等待响应的过程中是没办法做其他事情的，会造成【队头阻塞】问题。
• HTTP2通过Stream这个设计(多个Stream复用一条TCP连接，达到并发的效果)，解决了【队头阻塞】的问题,提高了HTTP传输的吞吐量。

• 1个 TCP 连接包含一个或者多个 Stream，Stream 是 HTTP/2 并发的关键技术；
• Stream 里可以包含1个或多个 Message，Message 对应 HTTP/1 中的请求或响应，由 HTTP 头部和包体构成，
• Message 里包含一条或者多个 Frame，Frame是 HTTP/2 最小单位，以二进制压缩格式存放 HTTP/1 中的内容(头部和包体)。包括头信息帧(Headers Frame)和数据帧(Data Frame)。
• HTTP消息可以由多个Frame构成。
• 一个Frame可以由多个TCP报文构成。

在HTTP2连接上，不同Stream的帧可以乱序发送（因此可以并发不同的Stream），接收端可以通过Stream ID 有序组装HTTP消息。

• HTTP/2 通过 Stream 实现的并发，比 HTTP/1.1 通过 TCP 连接实现并发要厉害的多，因为当 HTTP/2 实现 100 个并发 Stream 时，只需要建立一次 TCP 连接，而 HTTP/1.1 需要建立 100 个 TCP 连接，每个 TCP 连接都要经过TCP 握手、慢启动以及 TLS 握手过程，这些都是很耗时的。
• HTTP/2 还可以对每个 Stream 设置不同优先级，帧头中的「标志位」可以设置优先级，比如客户端访问HTML CSS 和图片资源时，希望服务器先传递 HTML/CSS，再传图片，那么就可以通过设置 Stream 的优先级来实现，以此提高用户体验。

5、服务器主动推送（存在TCP层的队头阻塞）

在 HTTP/2 中，服务器可以对客户端的一个请求发送多个响应，即服务器可以额外的向客户端推送资源，而无需客户端明确的请求。
但是 HTTP/2 仍然存在着队头阻塞的问题，只不过问题是在传输层。
HTTP/2 是基于 TCP 协议来传输数据的，TCP 是字节流协议，TCP 层必须保证收到的字节数据是完整且连续的，这样内核才会将缓冲区里的数据返回给 HTTP 应用，那么当「前1个字节数据」没有到达时，后收到的字节数据只能存放在内核缓冲区里，只有等到这1个字节数据到达时，HTTP/2 应用层才能从内核中拿到数据，这就是 HTTP/2队头阻塞问题。
HTTP1.1不支持服务器主动推送资源给客户端，都是由客户端向服务器发起请求后，才能获取到服务器响应的资
源。在HTTP2中，客户端在访问HTML时，服务器可以直接主动推送CSS⽂件，减少了消息传递的次数。

客户端发起的请求，必须使用的是奇数号 Stream，服务器主动的推送，使用的是偶数号 Stream。服务器在推送资源时，会通过 PUSH_PROMISE 帧传输 HTTP 头部，并通过帧中的 Promised Stream ID 字段告知客户端，接下来会在哪个偶数号 Stream 中发送包体。
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HTTP/3（解决TCP队头阻塞）

HTTP/2 队头阻塞的问题是因为 TCP，所以 HTTP/3 把 HTTP 下层的 TCP 协议改成了 UDP！

HTTP/3 基于 QUIC 协议，具有以下特点:

• 零 RTT 连接建立: QUIC（Quick UDP Internet Connections）允许在首次连接时进行零往返时间(Zero Round Trip Time)连接建立，从而减少了连接延迟，加快了页面加载速度。
• 无队头阻塞: QUIC 使用 UDP 协议来传输数据。一个连接上的多个stream之间没有依赖，如果一个stream丢了一个UDP包，不会影响后面的stream，不存在TCP 队头阻塞。
• 连接迁移: OUIC允许在网络切换(如从 Wi-Fi到移动网络)时，将连接迁移到新的 IP 地址，从而减少连接的中断时间。
• 向前纠错机制: 每个数据包除了它本身的内容之外，还包括了部分其他数据包的数据，因此少量的丢包可以通过其他包的冗余数据直接组装而无需重传。向前纠错牺牲了每个数据包可以发送数据的上限，但是减少了因为丢包导致的数据重传。

HTTP/2的缺点

HTTP2 协议是基于TCP实现的，所以存在三个缺陷:

1. 队头阻塞：TCP 是字节流协议，TCP 层必须保证收到的字节数据是完整且有序的，如果序列号较低的 TCP 段在网络传输中丢失了，即使序列号较高的 TCP 段已经被接收了，应用层也无法从内核中读取到这部分数据，从HTTP 视角看，就是请求被阻塞了。
2. TCP与TLS的握手时延迟：发出HTTP请求时，需要经过TCP三次握手和TLS四次握手(TLS 1.2是4次，TLS 1.3是三次，开启Fast Open后可以和TCP同时进行)，共计3 RTT的时延才能发出请求数据。
3. 网络迁移需要重新连接：一个TCP连接由【源IP地址，源端口，目标IP地址，目标端口】确定。若IP地址或端口发生变暖，这需要重新进行连接。这不利于移动设备切换网络的场景。要解决该问题，就要修改传输层协议。在HTTP3中传输层协议修改为了 UDP。

QUIC协议的特点（将UDP变成可靠的）

UDP是一个简单的、不可靠的传输协议，而且UDP包之间是无序的，也没有依赖关系。UDP也不需要连接。
HTTP3基于UDP协议在应用层实现了 QUIC 协议，它有类似TCP的连接管理、拥塞窗口、流量控制的网络特性，相当于将不可靠的UDP协议变成可靠的了，无需担心数据包丢包的问题。

无队头阻塞

• HTTP2:只要某个流中的数据包丢失了，其他流也会因此受影响。
• HTTP3:流与流（Stream)之间不影响

更快的连接建立

对于 HTTP/1 和 HTTP/2 协议，TCP 和 TLS 是分层的，分别属于内核实现的传输层、openssl库实现的表示层，因此它们难以合并在一起，需要分批次来握手，先 TCP 握手，再 TLS 握手。
HTTP/3 在传输数据前虽然需要 QUIC协议握手，这个握手过程只需要1RTT，握手的目的是为确认双方的「连接ID」，连接迁移就是基于连接 ID 实现的。
但是 HTTP/3 的 QUIC 协议并不是与 TLS 分层，而是QUIC 内部包含了 TLS，它在自己的帧会携带 TLS 里的“记录”、再加上 QUIC 使用的是 TLS1.3，因此仅需1个 RTT 就可以「同时」完成建立连接与密钥协商，甚至在第二次连接的时候，应用数据包可以和 QUIC握手信息(连接信息+TLS 信息)一起发送，达到 0-RTT 的效果。

为什么QUIC只需要一个RTT就可以完成建立连接与密钥协商

首先，TCP的三次握手需要 1个RTT 来完成。
三次握手过程：

1. 客户端发送SYN（Synchronize）报文：客户端向服务器发送一个SYN报文，用于请求建立连接。这是握手的第一步。
2. 服务器响应SYN-ACK：服务器收到SYN报文后，回应一个SYN-ACK报文，表示同意建立连接，并确认收到了客户端的SYN。这是握手的第二步。
3. 客户端发送ACK：客户端收到SYN-ACK后，发送一个ACK（Acknowledgment）报文，确认收到了服务器的响应。这是握手的第三步，完成了连接的建立。
   时延解释：

• 发送SYN并接收到SYN-ACK：这一步耗费1个RTT（客户端到服务器再返回客户端）。
• 发送ACK：这一步通常不需要额外的RTT，因为在发送ACK后，客户端和服务器都已经可以开始发送数据了。
  因此，TCP三次握手只需要 1个RTT 来完成连接的建立。

总结：而QUIC使用的是TLS 1.3 只需要三次握手，与TCP相同，因此如果它与TCP一起传输数据，可以看作只需要进行TCP连接，也就是只需要 1个RTT。

连接迁移

基于 TCP 传输协议的 HTTP 协议，由于是通过四元组(源 IP、源端口、目的IP、目的端口)确定一条 TCP 连接，那么当移动设备的网络从 4G 切换到 WIFI 时，意味着 IP 地址变化了，那么就必须要断开连接，然后重新建立连接，而建立连接的过程包含 TCP 三次握手和 TLS 四次握手的时延，以及 TCP 慢启动的减速过程，给用户的感觉就是网络突然卡顿了一下，因此连接的迁移成本是很高的。

而 QUIC 协议没有用四元组的方式来“绑定”连接，而是通过连接 ID来标记通信的两个端点，客户端和服务器可以各自选择一组 ID 来标记自己，因此即使移动设备的网络变化后，导致IP 地址变化了，只要仍保有上下文信息(比如连接 ID、TLS 密钥等)，就可以“无缝”地复用原连接，消除重连的成本，没有丝毫卡顿感，达到了连接迁移的功能。

HTTP/3 同 HTTP/2 一样采用二进制帧的结构，不同的地方在于 HTTP/2 的二进制帧里需要定义 Stream，而HTTP/3 自身不需要再定义 stream，直接使用 QUIC 里的 Stream，于是 HTTP/3 的帧的结构也变简单了。