HTTP 协议初探之--历史演变和设计思路
HTTP 协议是互联网的基础协议，也是网页开发的必备知识，最新版本 HTTP 2 更是让它成为技术热点。
本文介绍 HTTP 协议的历史演变和设计思路。
HTTP 简介
HTTP 是基于 TCP/IP 协议的应用层协议。它不涉及数据包(packet)传输，主要规定了客户端和服务器之间的通信格式，默认使用80端口。
HTTP是Hyper Text Transfer Protocol（超文本传输协议）的缩写,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送协议。它可以使浏览器更加高效，使网络传输减少。
HTTP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，以及哪部分内容首先显示(如文本先于图形)等。 HTTP是一个应用层协议，由请求和响应构成，是一个标准的客户端服务器模型。HTTP是一个无状态的协议。
--在TCP/IP协议栈中的位置
HTTP协议通常承载于TCP协议之上，有时也承载于TLS或SSL协议层之上，这个时候，就成了我们常说的HTTPS。如下图所示：
默认HTTP的端口号为80，HTTPS的端口号为443。
--HTTP的请求响应模型
HTTP协议永远都是客户端发起请求，服务器回送响应。见下图：
这样就限制了使用HTTP协议，无法实现在客户端没有发起请求的时候，服务器将消息推送给客户端。 HTTP协议是一个无状态的协议，同一个客户端的这次请求和上次请求是没有对应关系。
--工作流程
一次HTTP操作称为一个事务，其工作过程可分为四步：
1）首先客户机与服务器需要建立连接。只要单击某个超级链接，HTTP的工作开始。
2）建立连接后，客户机发送一个请求给服务器，请求方式的格式为：统一资源标识符（URL）、协议版本号，后边是MIME信息包括请求修饰符、客户机信息和可能的内容。
3）服务器接到请求后，给予相应的响应信息，其格式为一个状态行，包括信息的协议版本号、一个成功或错误的代码，后边是MIME信息包括服务器信息、实体信息和可能的内容。
4）客户端接收服务器所返回的信息通过浏览器显示在用户的显示屏上，然后客户机与服务器断开连接。 如果在以上过程中的某一步出现错误，那么产生错误的信息将返回到客户端，有显示屏输出。对于用户来说，这些过程是由HTTP自己完成的，用户只要用鼠标点击，等待信息显示就可以了。
--HTTP协议的主要特点可概括如下：
1.支持客户/服务器模式。
2.简单快速：客户向服务器请求服务时，只需传送请求方法和路径。请求方法常用的有GET、HEAD、POST。每种方法规定了客户与服务器联系的类型不同。由于HTTP协议简单，使得HTTP服务器的程序规模小，因而通信速度很快。
3.灵活：HTTP允许传输任意类型的数据对象。正在传输的类型由Content-Type加以标记。
4.无连接：无连接的含义是限制每次连接只处理一个请求。服务器处理完客户的请求，并收到客户的应答后，即断开连接。采用这种方式可以节省传输时间。
5.无状态：HTTP协议是无状态协议。无状态是指协议对于事务处理没有记忆能力。缺少状态意味着如果后续处理需要前面的信息，则它必须重传，这样可能导致每次连接传送的数据量增大。另一方面，在服务器不需要先前信息时它的应答就较快。
以下是"HTTP 协议的历史演变和设计思路"部分
一、HTTP/0.9
最早版本是1991年发布的0.9版。该版本极其简单，只有一个命令GET。
GET /index.html11
上面命令表示，TCP 连接(connection)建立后，客户端向服务器请求(request)网页index.html。
协议规定，服务器只能回应HTML格式的字符串，不能回应别的格式。
Hello World11
服务器发送完毕，就关闭TCP连接。
二、HTTP/1.0
2.1 简介
1996年5月，HTTP/1.0 版本发布，内容大大增加。
首先，任何格式的内容都可以发送。这使得互联网不仅可以传输文字，还能传输图像、视频、二进制文件。这为互联网的大发展奠定了基础。
其次，除了GET命令，还引入了POST命令和HEAD命令，丰富了浏览器与服务器的互动手段。
再次，HTTP请求和回应的格式也变了。除了数据部分，每次通信都必须包括头信息(HTTP header)，用来描述一些元数据。
其他的新增功能还包括状态码(status code)、多字符集支持、多部分发送(multi-part type)、权限(authorization)、缓存(cache)、内容编码(content encoding)等。
2.2 请求格式
下面是一个1.0版的HTTP请求的例子。
GET / HTTP/1.0User-Agent： Mozilla/5.0 (Macintosh; Intel Mac OS X 10_10_5)Accept： */*11
可以看到，这个格式与0.9版有很大变化。
第一行是请求命令，必须在尾部添加协议版本(HTTP/1.0)。后面就是多行头信息，描述客户端的情况。
2.3 回应格式
服务器的回应如下。
HTTP/1.0 200 OK Content-Type： text/plainContent-Length： 137582Expires： Thu， 05 Dec 1997 16：00：00 GMTLast-Modified： Wed， 5 August 1996 15：55：28 GMTServer： Apache 0.84Hello World12341234
回应的格式是"头信息 + 一个空行(\r\n) + 数据"。其中，第一行是"协议版本 + 状态码(status code) + 状态描述"。
2.4 Content-Type 字段
关于字符的编码，1.0版规定，头信息必须是 ASCII 码，后面的数据可以是任何格式。因此，服务器回应的时候，必须告诉客户端，数据是什么格式，这就是Content-Type字段的作用。
下面是一些常见的Content-Type字段的值。
text/plaintext/htmltext/cssp_w_picpath/jpegp_w_picpath/pngp_w_picpath/svg+xmlaudio/mp4video/mp4application/javascriptapplication/pdfapplication/zipapplication/atom+xml12345678910111213141516171819202122231234567891011121314151617181920212223
这些数据类型总称为MIME type，每个值包括一级类型和二级类型，之间用斜杠分隔。
除了预定义的类型，厂商也可以自定义类型。
application/vnd.debian.binary-package11
上面的类型表明，发送的是Debian系统的二进制数据包。
MIME type还可以在尾部使用分号，添加参数。
Content-Type： text/html; charset=utf-811
上面的类型表明，发送的是网页，而且编码是UTF-8。
客户端请求的时候，可以使用Accept字段声明自己可以接受哪些数据格式。
Accept： */*11
上面代码中，客户端声明自己可以接受任何格式的数据。
MIME type不仅用在HTTP协议，还可以用在其他地方，比如HTML网页。
2.5 Content-Encoding 字段
由于发送的数据可以是任何格式，因此可以把数据压缩后再发送。Content-Encoding字段说明数据的压缩方法。
Content-Encoding： gzipContent-Encoding： compressContent-Encoding： deflate11
客户端在请求时，用Accept-Encoding字段说明自己可以接受哪些压缩方法。
Accept-Encoding： gzip， deflate11
2.6 缺点
HTTP/1.0 版的主要缺点是，每个TCP连接只能发送一个请求。发送数据完毕，连接就关闭，如果还要请求其他资源，就必须再新建一个连接。
TCP连接的新建成本很高，因为需要客户端和服务器三次握手，并且开始时发送速率较慢(slow start)。所以，HTTP 1.0版本的性能比较差。随着网页加载的外部资源越来越多，这个问题就愈发突出了。
为了解决这个问题，有些浏览器在请求时，用了一个非标准的Connection字段。
Connection： keep-alive11
这个字段要求服务器不要关闭TCP连接，以便其他请求复用。服务器同样回应这个字段。
Connection： keep-alive11
一个可以复用的TCP连接就建立了，直到客户端或服务器主动关闭连接。但是，这不是标准字段，不同实现的行为可能不一致，因此不是根本的解决办法。
三、HTTP/1.1
1997年1月，HTTP/1.1 版本发布，只比 1.0 版本晚了半年。它进一步完善了 HTTP 协议，一直用到了20年后的今天，直到现在还是最流行的版本。
3.1 持久连接
1.1 版的最大变化，就是引入了持久连接(persistent connection)，即TCP连接默认不关闭，可以被多个请求复用，不用声明Connection： keep-alive。
客户端和服务器发现对方一段时间没有活动，就可以主动关闭连接。不过，规范的做法是，客户端在最后一个请求时，发送Connection： close，明确要求服务器关闭TCP连接。
Connection： close
目前，对于同一个域名，大多数浏览器允许同时建立6个持久连接。
3.2 管道机制
1.1 版还引入了管道机制(pipelining)，即在同一个TCP连接里面，客户端可以同时发送多个请求。这样就进一步改进了HTTP协议的效率。
举例来说，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。管道机制则是允许浏览器同时发出A请求和B请求，但是服务器还是按照顺序，先回应A请求，完成后再回应B请求。
3.3 Content-Length 字段
一个TCP连接现在可以传送多个回应，势必就要有一种机制，区分数据包是属于哪一个回应的。这就是Content-length字段的作用，声明本次回应的数据长度。
Content-Length： 349511
上面代码告诉浏览器，本次回应的长度是3495个字节，后面的字节就属于下一个回应了。
在1.0版中，Content-Length字段不是必需的，因为浏览器发现服务器关闭了TCP连接，就表明收到的数据包已经全了。
3.4 分块传输编码
使用Content-Length字段的前提条件是，服务器发送回应之前，必须知道回应的数据长度。
对于一些很耗时的动态操作来说，这意味着，服务器要等到所有操作完成，才能发送数据，显然这样的效率不高。更好的处理方法是，产生一块数据，就发送一块，采用"流模式"(stream)取代"缓存模式"(buffer)。
因此，1.1版规定可以不使用Content-Length字段，而使用"分块传输编码"(chunked transfer encoding)。只要请求或回应的头信息有Transfer-Encoding字段，就表明回应将由数量未定的数据块组成。
Transfer-Encoding： chunked
每个非空的数据块之前，会有一个16进制的数值，表示这个块的长度。最后是一个大小为0的块，就表示本次回应的数据发送完了。下面是一个例子。
HTTP/1.1 200 OKContent-Type： text/plainTransfer-Encoding： chunked25This is the data in the first chunk1Cand this is the second one3con8sequence01234567891012345678910
3.5 其他功能
1.1版还新增了许多动词方法：PUT、PATCH、HEAD、 OPTIONS、DELETE。
另外，客户端请求的头信息新增了Host字段，用来指定服务器的域名。
Host： www.example.com11
有了Host字段，就可以将请求发往同一台服务器上的不同网站，为虚拟主机的兴起打下了基础。
3.6 缺点
虽然1.1版允许复用TCP连接，但是同一个TCP连接里面，所有的数据通信是按次序进行的。服务器只有处理完一个回应，才会进行下一个回应。要是前面的回应特别慢，后面就会有许多请求排队等着。这称为"队头堵塞"(Head-of-line blocking)。
为了避免这个问题，只有两种方法：一是减少请求数，二是同时多开持久连接。这导致了很多的网页优化技巧，比如合并脚本和样式表、将图片嵌入CSS代码、域名分片(domain sharding)等等。如果HTTP协议设计得更好一些，这些额外的工作是可以避免的。
四、SPDY 协议
2009年，谷歌公开了自行研发的 SPDY 协议，主要解决 HTTP/1.1 效率不高的问题。
这个协议在Chrome浏览器上证明可行以后，就被当作 HTTP/2 的基础，主要特性都在 HTTP/2 之中得到继承。
五、HTTP/2
2015年，HTTP/2 发布。它不叫 HTTP/2.0，是因为标准委员会不打算再发布子版本了，下一个新版本将是 HTTP/3。
5.1 二进制协议
HTTP/1.1 版的头信息肯定是文本(ASCII编码)，数据体可以是文本，也可以是二进制。HTTP/2 则是一个彻底的二进制协议，头信息和数据体都是二进制，并且统称为"帧"(frame)：头信息帧和数据帧。
二进制协议的一个好处是，可以定义额外的帧。HTTP/2 定义了近十种帧，为将来的高级应用打好了基础。如果使用文本实现这种功能，解析数据将会变得非常麻烦，二进制解析则方便得多。
5.2 多工
HTTP/2 复用TCP连接，在一个连接里，客户端和浏览器都可以同时发送多个请求或回应，而且不用按照顺序一一对应，这样就避免了"队头堵塞"。
举例来说，在一个TCP连接里面，服务器同时收到了A请求和B请求，于是先回应A请求，结果发现处理过程非常耗时，于是就发送A请求已经处理好的部分， 接着回应B请求，完成后，再发送A请求剩下的部分。
这样双向的、实时的通信，就叫做多工(Multiplexing)。
5.3 数据流
因为 HTTP/2 的数据包是不按顺序发送的，同一个连接里面连续的数据包，可能属于不同的回应。因此，必须要对数据包做标记，指出它属于哪个回应。
HTTP/2 将每个请求或回应的所有数据包，称为一个数据流(stream)。每个数据流都有一个独一无二的编号。数据包发送的时候，都必须标记数据流ID，用来区分它属于哪个数据流。另外还规定，客户端发出的数据流，ID一律为奇数，服务器发出的，ID为偶数。
数据流发送到一半的时候，客户端和服务器都可以发送信号(RST_STREAM帧)，取消这个数据流。1.1版取消数据流的唯一方法，就是关闭TCP连接。这就是说，HTTP/2 可以取消某一次请求，同时保证TCP连接还打开着，可以被其他请求使用。
客户端还可以指定数据流的优先级。优先级越高，服务器就会越早回应。
5.4 头信息压缩
HTTP 协议不带有状态，每次请求都必须附上所有信息。所以，请求的很多字段都是重复的，比如Cookie和User Agent，一模一样的内容，每次请求都必须附带，这会浪费很多带宽，也影响速度。
HTTP/2
对这一点做了优化，引入了头信息压缩机制(header compression)。一方面，头信息使用gzip或compress压缩后再发送;另一方面，客户端和服务器同时维护一张头信息表，所有字段都会存入这个表，生成一个索引号，以后就不发送同样字段了，只发送索引号，这样就提高速度了。
5.5 服务器推送
HTTP/2 允许服务器未经请求，主动向客户端发送资源，这叫做服务器推送(server push)。
常见场景是客户端请求一个网页，这个网页里面包含很多静态资源。正常情况下，客户端必须收到网页后，解析HTML源码，发现有静态资源，再发出静态 资源请求。其实，服务器可以预期到客户端请求网页后，很可能会再请求静态资源，所以就主动把这些静态资源随着网页一起发给客户端了。
