网络协议：应用层之HTTP与HTTPS

目录
一，HTTP基础
二，HTTP进阶
三，HTTPS
四，HTTP/2
五，HTTP/3
六，抓包

一，HTTP基础

1，基本介绍

• HTTP是HyperText Transfer Protocol的缩写，表示超文本传输协议
• 设计HTTP最初的目的是为了提供一种发布和接收HTML页面的方法
• HTML是Hyper Text Markup Language的缩写，表示超文本标记语言
• 通过HTTP请求的资源由URI来标识，URI是Uniform Resource Identifiers的缩写，表示统一资源标识符
• HTTP的标准制定由万维网协会（W3C）和互联网工程任务组（IETF）进行协调，最终发布了一系列的RFC
• RFC是Request For Comments的缩写，表示请求意见稿

2，版本

• HTTP/0.9

1>只支持GET请求方法
2>只支持文本数据
3>不支持请求头、响应头

• HTTP/1.0

1>支持POST、HEAD请求方法
2>支持更多数据类型
3>支持请求头、响应头
4>一个请求对应一个TCP连接

• HTTP/1.1

1>支持PUT、DELETE请求方法
2>采用持久连接（Connection: keep-alive）：多个请求共用一个TCP连接
3>是目前使用最广泛的版本

3，报文格式

• 简单描述

• ABNF

1>ABNF是Augmented Backus-Naur Form的缩写，表示巴科斯-瑙尔范式的增强版
2>ABNF用作Internet中通信协议的定义语言，是最严谨的HTTP报文格式描述形式

4，请求方法

• GET

1>用于读取操作
2>请求参数直接拼接在URL的后面
3>浏览器对URL的长度是有限制的，所以请求参数不能太多

• POST

1>用于添加、修改、删除操作
2>请求参数存放在请求体中，个数没有限制

• HEAD

1>与GET请求相同，但没有响应体
2>使用场景：先获取文件大小，再决定是否下载，这样可以节省带宽资源

• OPTIONS：用于获取目标资源所支持的通信选项，比如服务器支持哪些请求方法
• PUT：用于对已存在的资源进行整体覆盖
• PATCH：用于对已存在的资源进行部分修改
• DELETE：用于删除指定的资源
• TRACE：让服务器回显其收到的请求信息，用于HTTP请求的测试或诊断
• CONNECT：让代理服务器和目标服务器建立一个TCP连接

5，状态码

• 分类

1>信息响应：100 ~ 199
2>成功响应：200 ~ 299
3>重定向：300 ~ 399
4>客户端错误：400 ~ 499
5>服务器错误 ：500 ~ 599

⚠️注意⚠️：并不是每一个状态码都有用到

• 常见状态码

100 Continue
1>当客户端不确定服务器是否愿意接收请求时，可以先发送不带请求体的请求进行试探
2>如果服务器愿意接收请求，就会返回该状态码，表示该请求不完整，请继续发送剩余的请求
3>当客户端收到该状态码时，再发送一个带请求体的请求

200 OK：请求成功

302 Found：告知浏览器重新请求Location字段中的链接
304 Not Modified：请求的数据没有修改，可以直接使用缓存的数据

400 Bad Request：请求报文格式错误
401 Unauthorized：缺少目标资源要求的身份凭证
403 Forbidden：服务器拒绝访问目标资源
404 Not Found：服务器没有找到目标资源
405 Method Not Allowed：请求方法错误
406 Not Acceptable：请求头中某个Accept字段所要求的值，服务器无法提供
408 Request Timeout：服务器想要关闭没有在使用的TCP连接（主动发送）

500 Internal Server Error：服务器在执行请求时遇到意外情况
501 Not Implemented：服务器不支持该请求方法（GET和HEAD必须支持）
502 Bad Gateway：代理服务器找不到目标服务器
503 Service Unavailable：服务器停机维护或者已超载

6，请求头字段

7，响应头字段

8，请求体的类型

• Content-Type: application/json

1>请求体格式：{"name":"zhangsan","age":"20"}
2>常应用于APP中的接口

• Content-Type: application/x-www-form-urlencoded

1>请求体格式：name=zhangsan&age=20
2>常应用于网页表单提交（例如登录、注册等）

• Content-Type: multipart/form-data; boundary=xxx

1>请求体格式：
     --boundary
     参数1
     --boundary
     参数2
     --boundary
     文件1
     --boundary
     文件2
     --boundary--
2>常应用于文件上传
3>boundary是一个随机生成的字符串

9，响应体的类型

• text/plain：纯文本格式
• text/html： HTML格式
• application/javascript： JS格式
• text/xml： XML格式
• application/json： JSON格式
• image/*：图片格式

二，HTTP进阶

1，断点续传

• 首次请求

GET /123.png HTTP/1.1

• 首次响应

HTTP/1.1 200 OK
Accept-Ranges: bytes
Content-Length: 1024 // 数据总长度

在下载500个字节时网络异常，待网络恢复后继续下载

• 再次请求

GET /123.png HTTP/1.1
Range: bytes=500- // 表示从第500个字节开始到最后一个字节

• 再次响应

HTTP/1.1 206 Partial Content
Content-Length: 524
Content-Range: bytes 500-1023/1024

2，跨域

• 前后端分离

浏览器先从页面服务器获取网页，再从接口服务器获取数据

• 同源策略

1>浏览器自带同源策略
2>它规定在默认情况下，异步请求只能发送给同源的URL
3>同源表示协议、域名、端口都相同
4>同源：http://www.network.com:80/page.html、http://www.network.com:80/data
5>不同源：http://www.network.com:80/page.html、https://www.network.com:80/data

• CORS

1>CORS是Cross-Origin Resource Sharing的缩写，表示跨域资源共享
2>跨域资源共享表示向不同的源发送异步请求
3>假设网页的URL为http://www.network.com:80/page.html，数据的URL为https://www.network.com:80/data
4>由于数据在不同的源，浏览器在请求时，会将Origin字段设置为http://www.network.com:80
5>如果服务器允许跨域访问，需将Access-Control-Allow-Origin设置为http://www.network.com:80，这样浏览器才会接收该数据

3，Cookie

• 当登录成功时，服务器会创建一个Session对象来保存用户信息，并且将用户标识通过Set-Cookie字段返回给浏览器
• 浏览器会将用户标识存储到Cookie中，在后面获取用户数据时通过Cookie字段发送给服务器
• 服务器拿到用户标识先查找是否有对应的Session对象，有则表明该用户已登录，然后才能返回用户数据
• Cookie存储于浏览器的本地磁盘中，Session存储于服务器的内存中
• 默认情况下，浏览器关闭时Cookie就会失效，Session的有效期为30分钟

4，重定向

• 在禁止访问http时访问http，会被重定向到https

• 在已登录状态时访问登录页，会被重定向到主页

• 在未登录状态时访问主页，会被重定向到登录页

5，缓存

• 基本介绍

1>需要缓存的情况：GET请求 + 静态资源（例如HTML、JS、图片等）
2>缓存分为：内存缓存（Memory Cache）、磁盘缓存（Disk Cache）

• 响应头

1>Pragma：作用类似于Cache-Control，HTTP/1.0的产物
2>Expires：缓存的过期时间（GMT格式），HTTP/1.0的产物
3>Cache-Control：缓存策略
     no-storage：不允许缓存
     private：只允许浏览器缓存
     public：允许浏览器和代理服务器缓存
     no-cache：每次请求都需要询问服务器资源是否有变化，再决定是否使用缓存
     max-age：缓存的有效时长（单位为秒）
4>Last-Modified：资源的最后修改时间
5>ETag：资源的唯一标识（根据内容计算出来的散列值）

优先级：Pragma > Cache-Control，max-age > Expires，ETag > Last-Modified

• 请求头

If-None-Match
1>如果上一次的响应头中有ETag，就会将ETag的值作为该字段的值
2>如果服务器发现资源的唯一标识与该字段的值不匹配，表明资源有变化，就会返回最新的资源（200 OK）
3>否则就不会返回资源（304 Not Modified）

If-Modified-Since
1>如果上一次的响应头中没有ETag，有Last-Modified，就会将Last-Modified的值作为该字段的值
2>如果服务器发现资源的最后修改时间晚于该字段的值，表明资源有变化，就会返回最新的资源（200 OK）
3>否则就不会返回资源（304 Not Modified）

• Last-Modified和ETag

Last-Modified的缺点
1>只能精确到秒级，如果资源在1秒内被修改了，浏览器就无法获取最新的资源
2>如果资源被修改了，最后修改时间发生了变化，但内容并没有改变，服务器也会返回资源

ETag的优点
1>只要资源的内容没有变化，服务器就不会返回资源
2>只要资源的内容发生了变化，服务器就会返回资源

• 整体流程

三，HTTPS

1，基本介绍

• HTTPS是HyperText Transfer Protocol Secure的缩写，表示超文本传输安全协议
• HTTP是明文传输，HTTPS是密文传输
• HTTP的默认端口为80，HTTPS的默认端口为443
• HTTPS由于需要连接和加解密，导致传输速度较慢

2，SSL/TLS

• SSL是TLS的前身
• SSL是Secure Sockets Layer的缩写，表示安全套接层
• TLS是Transport Layer Security的缩写，表示传输层安全性协议
• SSL/TLS的作用是对请求和响应报文进行加密
• SSL/TLS工作在应用层与传输层之间

3，HTTPS的通信过程

4，TLS的连接过程

• 十大步骤

• ① Client Hello

包含以下信息：
1>TLS的版本号
2>客户端随机数（Client Random）
3>支持的加密组件列表（加密组件包含加密算法、密钥长度等信息）

• ② Server Hello

包含以下信息：
1>TLS的版本号
2>服务器随机数（Server Random）
3>选择的加密组件

• ③ Certificate

包含以下信息：
1>服务器的公钥证书（CA已签名）

• ④ Server Key Exchange

包含以下信息：
1>ECDHE算法所需要的第一个参数（Server Params）

说明：
1>ECDHE是一种密钥交换算法
2>服务器会对该参数进行签名

• ⑤ Server Hello Done

包含以下信息：
1>告知客户端，服务器数据已发送完毕

说明：
1>客户端会用CA的公钥对证书进行验证（CA的公钥已内置在客户端中）
2>客户端会用服务器的公钥对参数进行验证

• ⑥ Client Key Exchange

包含以下信息：
1>ECDHE算法所需要的第二个参数（Client Params）

说明：
1>到目前为止，数据都已交换完毕，客户端和服务器开始各自生成会话密钥
2>客户端和服务器都会生成两个会话密钥，一个用来加密，一个用来解密

• ⑦ Change Cipher Spec

包含以下信息：
1>告知服务器，之后客户端的消息都会用会话密钥进行加密

• ⑧ Finished

包含以下信息：
1>之前所有交换的数据的散列值（已加密）

说明：
1>用来检验服务器是否能解密成功

• ⑨ Change Cipher Spec

包含以下信息：
1>告知客户端，之后服务器的消息都会用会话密钥进行加密

• ⑩ Finished

包含以下信息：
1>之前所有交换的数据的散列值（已加密）

说明：
1>用来检验客户端是否能解密成功

四，HTTP/2

1，HTTP/1.1的不足

• 一个连接同时只能处理一个请求，并发需要建立多个连接
• 一个请求只能对应一个响应，服务器无法主动发起响应
• 同一个会话的多个请求中，头信息会被重复传输，造成不必要的开销

2，基本介绍

• HTTP/2在HTTP/1.1基础上增加了SPDY
• SPDY（speedy的缩写）是由Google开发的应用层协议，它修改了HTTP/1.1的传输方式
• HTTP/1.1传输的是文本格式，HTTP/2传输的是二进制格式
• HTTP/2会将二进制数据流拆分成多个帧进行传输
• 特性：多路复用、优先级、头部压缩、服务器推送
• 问题：队头阻塞、握手延迟

3，多路复用

• 一个连接可以同时处理多个请求
• 每个请求的数据帧交替发送
• 每个帧都有帧头，帧头中包含标识信息，在接收端根据标识信息对帧进行重新组装

4，优先级

• HTTP/2允许给数据流设置依赖关系和权重值
• 客户端可以将其构建成优先级树并发送给服务器
• 服务器根据优先级树来决定如何给数据流分配资源
• 下图中D先于C获得完整资源，C先于A和B获得完整资源，A获得的资源是B的3倍

5，头部压缩

• HTTP/2使用HPACK算法压缩请求头和响应头，可以极大减少头部开销
• 客户端和服务器会维护两个表，静态表用来存储常用的头信息，动态表用来存储新出现的头信息
• 客户端在请求之前先去表中查询，头信息在表中存在就直接传其索引，不存在就将头信息存入表中
• 服务器拿到请求头之后，如果是索引就去表中获取头信息，如果是头信息就直接存入表中

6，服务器推送

• 服务器可以对一个客户端请求发送多个响应

7，队头阻塞

• TCP为了保证可靠传输，一旦有数据包丢失，必须等待该包重传完成，才会处理后面的数据包

8，握手延迟

• TCP三次握手和TLS连接需要耗费一些时间

五，HTTP/3

1，基本介绍

• HTTP/3在HTTP/2基础上增加了QUIC
• QUIC（Quick UDP Internet Connections的缩写）表示快速UDP网络连接，是由Google开发的应用层协议
• UDP比TCP速度快，但不能保证可靠传输，这个缺陷由QUIC来弥补
• 特性：解决队头阻塞、解决握手延迟、连接迁移
• 问题：之前没有使用UDP进行高速的信息传输，没有得到像TCP那样的优化，从而导致CPU消耗大
• HTTP/2已经成为标准，HTTP/3还在试验阶段
• HTTP/2和HTTP/3都是在应用层进行改进，这样升级起来会比较简单，只需更新客户端和服务器配置即可

2，解决队头阻塞

• UDP不保证可靠传输，即使有数据包丢失，也不影响其他数据包的处理

3，解决握手延迟

• QUIC将握手和连接合并成了一个

4，连接迁移

• HTTP/2

1>HTTP/2是基于TCP的
2>TCP连接四要素：源IP地址、源端口号、目标IP地址、目标端口号
3>当网络发生变化时，四要素也会发生变化，导致旧的连接失效，必须重新建立连接

• HTTP/3

1>QUIC使用Connection ID来标识一个连接
2>即使四要素发生变化，只要Connection ID不变，连接就依然有效

六，抓包

1，HTTP

2，HTTPS

3，HTTP/2

HTTP/1.1 HTTP/2