计算机网络之HTTP协议
一、HTTP协议基本概念
HTTP（HyperText Transfer Protocol，超文本传输协议）是用于从WWW服务器传输超文本到本地浏览器的传输协议。它可以使浏览器更加高效，减少网络传输量。HTTP协议不仅保证计算机正确快速地传输超文本文档，还确定传输文档中的哪一部分内容首先显示（如文本先于图形）。HTTP协议是客户端浏览器或其他程序与Web服务器之间的应用层通信协议。在Internet上的Web服务器上存放的都是超文本信息，客户端需要通过HTTP协议传输所要访问的超文本信息。
二、HTTP协议工作原理
1. 请求-响应模式：
HTTP协议基于请求-响应模式，即客户端发送请求，服务器返回响应。
2. 分层顺序通信：
利用TCP/IP协议族进行网络通信时，会通过分层顺序与对方进行通信。发送端从应用层往下走，接收端则从链路层往上走。首先作为发送端的客户端在应用层（HTTP协议）发出一个想看某个Web页面的HTTP请求。接着，在传输层（TCP协议）把从应用层处收到的数据（HTTP请求报文）进行分割，并在各个报文上打上标记序号及端口号后转发给网络层。在网络层（IP协议），增加作为通信目的地的MAC地址后转发给链路层。这样一来，发往网络的通信请求就准备齐全了。接收端的服务器在链路层接收到数据，按序往上层发送，一直到应用层。当传输到应用层，才能算真正接收到由客户端发送过来的HTTP请求。
3. HTTP报文：
用于HTTP协议交互的信息被称为HTTP报文。请求端（客户端）的HTTP报文叫做请求报文；响应端（服务器端）的叫做响应报文。HTTP报文本身是由多行（用CR+LF作换行符）数据构成的字符串文本。HTTP报文大致可分为报文首部和报文主体两部分。两者由最初出现的空行（CR+LF）来划分。通常，并不一定有报文主体。
三、HTTP请求与响应
1. HTTP请求报文：
- 请求行：包含用于请求的方法、请求URI和HTTP版本。
- 请求头部：包含表示请求的各种条件和属性的各类首部。
- 请求体：在使用POST或PUT等方法时，携带发送给服务器的数据。
2. HTTP响应报文：
- 状态行：包含HTTP版本、状态码、状态描述。
- 响应头部：包含服务器的相关数据及被请求的文档信息。
- 响应体：服务器向客户端发送的实际数据。
四、HTTP方法
HTTP请求可以使用多种请求方法，每种方法定义了不同的操作：
- GET：请求服务器发送某个资源。
- POST：向指定资源提交数据，请求服务器进行处理（如提交表单或上传文件）。
- HEAD：类似于GET请求，但返回的响应中没有具体的内容，用于获取报头。
- PUT：从客户端向服务器传送的数据取代指定的文档的内容。
- DELETE：请求服务器删除Request-URI所标识的资源。
- OPTIONS：使服务器传回该资源所支持的所有HTTP请求方法。
- TRACE：回显服务器收到的请求，主要用于测试或诊断。
- PATCH：是对PUT方法的补充，用来对已知资源进行局部更新。
- CONNECT：HTTP/1.1中预留给能够将连接改为通道方式的代理服务器。通常用于SSL加密服务器的链接（经由非加密的HTTP代理服务器）。
五、HTTP状态码
HTTP状态码由三个十进制数字组成，第一个十进制数字定义了状态码的类型。响应分为五类：
- 1xx（信息响应）：表示请求已被接收，继续处理。
- 2xx（成功响应）：表示请求已成功被服务器接收、理解、并接受。
- 3xx（重定向）：表示需要客户端采取进一步的操作才能完成请求。
- 4xx（客户端错误）：表示请求包含语法错误或无法完成请求。
- 5xx（服务器错误）：表示服务器在处理请求的过程中发生了错误。
六、HTTP协议的无状态性
HTTP协议是一种无状态协议，协议自身不对请求和响应之间的通信状态进行保存。也就是说，在HTTP这个级别，协议对于发送过的请求或响应都不做持久化处理。这是为了更快地处理大量事务，确保协议的可伸缩性，而特意把HTTP协议设计成如此简单的。然而，随着Web的不断发展，很多业务都需要对通信状态进行保存。因此，引入了Cookie技术，通过在请求和响应报文中写入Cookie信息来控制客户端的状态。
七、HTTP/1.1与持久连接
HTTP/1.1版本引入了持久连接的方法，只要任意一端没有明确提出断开连接，则保持TCP连接状态。这样可以在一次TCP连接后进行多次请求和响应的交互，减少了建立和关闭连接的消耗和时间延迟。持久连接使得多数请求以管线化方式发送成为可能，即不用等待亦可发送下一个请求，从而提高了传输效率。
八、HTTPS协议
HTTPS（Hyper Text Transfer Protocol over Secure Socket Layer）是以安全为目标的HTTP通道，简单讲是HTTP的安全版。即HTTP下加入SSL层，HTTPS的安全基础是SSL，因此加密的详细内容就需要SSL。HTTPS更加安全，它是由SSL+HTTP协议构建的可进行加密传输、身份认证的网络协议，要比HTTP协议的信息明文传输安全。HTTPS需要到CA申请证书，一般免费证书很少，需要交费。端口号不同：HTTP默认端口号80，HTTPS默认端口号443。状态不同：HTTP的连接很简单，是无状态的。而HTTPS协议是SSL+HTTP协议构建的可进行加密传输、身份认证的网络协议，要比HTTP协议安全。
九、Java代码示例
以下是一个简单的Java程序，用于通过HTTP协议发送GET请求并接收服务器的响应：
import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.net.HttpURLConnection;
import java.net.URL;
public class HttpExample {
public static void main(String[] args) {
try {
// 创建一个URL对象
URL url = new URL("https://www.example.com");
// 通过URL对象打开一个HttpURLConnection连接
HttpURLConnection connection = (HttpURLConnection) url.openConnection();
// 设置请求方法为GET
connection.setRequestMethod("GET");
// 获取服务器的响应码
int responseCode = connection.getResponseCode();
// 打印响应码
System.out.println("Response Code: " + responseCode);
// 如果响应码为200（OK），则读取响应内容
if (responseCode == HttpURLConnection.HTTP_OK) {
BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(connection.getInputStream()));
String inputLine;
StringBuilder response = new StringBuilder();
// 读取响应内容并存储在StringBuilder对象中
while ((inputLine = in.readLine()) != null) {
response.append(inputLine);
}
// 关闭输入流
in.close();
// 打印响应内容
System.out.println("Response Content: " + response.toString());
} else {
// 如果响应码不是200，则打印错误信息
System.out.println("Error: " + responseCode);
}
} catch (IOException e) {
// 捕获并处理IOException异常
e.printStackTrace();
}
}
}
十、HTTP协议的未来发展
随着Web技术的不断发展，HTTP协议也在不断适应新的需求。HTTP/2.0引入了二进制格式、多路复用、头部压缩等特性，显著提高了传输效率。而基于QUIC协议的HTTP/3.0进一步提升了传输速度和安全性，尤其在高延迟和不稳定的网络环境中表现出色。
1、http/2
HTTP/2.0是基于SPDY协议发展而来的。SPDY是由Google开发的基于TCP的会话层协议，旨在最小化网络延迟，提升网络速度，优化用户的网络使用体验。SPDY并不是一种用于替代HTTP的协议，而是对HTTP协议的增强。HTTP/2标准于2015年5月以RFC 7540正式发表。
二进制传输：HTTP/2.0采用二进制格式传输数据，而非HTTP/1.x的文本格式。这减少了解析数据的时间，提高了传输效率。
多路复用：HTTP/2.0支持在一个TCP连接上并发发送多个请求和响应，通过流（stream）和帧（frame）的概念实现。这解决了HTTP/1.x中的队首阻塞问题，显著提高了传输性能。
首部压缩：HTTP/2.0使用HPACK压缩算法对头部信息进行压缩，减少了传输的数据量。HPACK通过维护一个动态表和静态表来存储和引用常见的头部字段，进一步提高了压缩效率。
服务器推送：HTTP/2.0引入了服务器推送（Server Push）机制，允许服务器在客户端请求之前主动推送资源到客户端缓存，减少了客户端的等待时间，提高了应用的响应速度。
增强的安全性：虽然HTTP/2.0协议本身并没有声明必须使用TLS，但现代浏览器如Chrome等强制要求使用HTTP/2.0时必须通过TLS（即HTTPS），从而提高了传输过程的安全性。
2、http/3
HTTP/3.0是基于Google开发的QUIC协议构建的。QUIC（Quick UDP Internet Connections）是一个基于UDP的新型传输层协议，旨在解决TCP的一些固有问题，如连接建立的延迟和拥塞控制算法的不足。HTTP/3.0标准于2022年6月6日正式发布，并被IETF（互联网工程任务组）制定在RFC 9114中。
基于QUIC的传输层协议：HTTP/3.0不再依赖于TCP，而是使用QUIC进行数据传输。QUIC具有更快的连接建立时间和更好的拥塞控制，同时支持快速的连接迁移和零RTT（Round-Trip Time）握手。
多路复用：HTTP/3.0延续了HTTP/2.0的多路复用特性，允许在单个连接上并行发送多个请求和响应，提高了网络利用率和性能。
0-RTT连接建立：基于QUIC的特性，HTTP/3.0支持零RTT连接建立，使得客户端可以在不进行完整的握手过程的情况下发送数据，进一步减少了延迟。
连接迁移：QUIC支持快速的连接迁移，即使在网络切换或IP地址变更的情况下，连接也能够快速恢复，提高了网络的稳定性和可靠性。
抗拥塞控制：HTTP/3.0内置了先进的拥塞控制算法，能够更好地适应网络环境的变化，提供更稳定和可靠的网络性能。
内置加密：HTTP/3.0将TLS 1.3集成在传输层，所有连接默认使用TLS 1.3加密，进一步简化了安全连接的建立过程，并增强了数据传输的安全性。
十一、总结
HTTP协议是计算机网络中用于Web通信的基础协议之一。它基于请求-响应模式，通过分层顺序与对方进行通信。HTTP协议定义了请求和响应的格式以及常见的请求方法和状态码。HTTP协议是无状态的，但可以通过Cookie等技术来管理状态。随着技术的演进，HTTP协议也在不断发展和完善，以适应新的需求和挑战。