HTTP 演进史

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Jul 31, 2023
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http-history-of-evolution
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系统和网络
summary
梳理 HTTP 的发展演进的过程及每个版本的变化
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HTTP 的发展要追溯到万维网的发明，1989 年，当时在 CERN 工作的 Tim Berners-Lee 博士写了一份关于建立一个通过网络传输超文本系统的报告。这个系统起初被命名为 Mesh，在随后的 1990 年项目实施期间被更名为万维网（World Wide Web）。
万维网在现有的 TCP 和 IP 协议基础之上建立，由四个部分组成：
  • 一个用来表示超文本文档的文本格式，超文本标记语言（HTML）。
  • 一个用来交换超文本文档的简单协议，超文本传输协议（HTTP）。
  • 一个显示（以及编辑）超文本文档的客户端，即网络浏览器。第一个网络浏览器被称为 WorldWideWeb。
  • 一个服务器用于提供可访问的文档，即 httpd 的前身。
 

HTTP/0.9 1991年

最初的 HTTP 协议并没有版本号，0.9 实际上是为了跟后续的 1.0 版本作区分。总的来说 0.9 版本十分简陋，功能单一。
特点：
  • 只支持 GET 请求，在其后面跟上目标资源的路径
  • 没有 HTTP 头部
不足：
  • 因为没有 HTTP 头部，所以除了文本类型无法区分和传输其他类型
  • 没有状态码和错误码，一旦出现问题，只能返回一个固定的错误页面
一个典型的请求：
一个典型的响应：
 

HTTP/1.0 1996年

在 0.9 基础上做了扩展，支持传输更多类型的内容。
特点：
  • 在请求中明确了版本号
  • 增加响应状态码
  • 增加 HTTP 头，使传输资源更加灵活，如：
    • Content-type：通过指定不同的 MIME type，表明资源的格式，如 text/html、text/css、image/png、application/javascript、application/octet-stream 等
    • Accept-Encoding / Content-Encoding：表明客户端支持的压缩类型和响应中使用的压缩类型
不足：
  • 每个 TCP 连接只能发送一个请求，造成了连接效率低下。后续在请求和响应头中增加了一个非标准的 Connection: keep-alive，告知双方请求可以复用同一条 TCP 连接而不是每次请求响应后都关闭连接。不过由于不是标准字段，不同实现的行为可能不一致，因此没有从根本上解决。
一个典型的文本类型的请求和响应
典型的图片类型的请求和响应
 

HTTP/1.1 1997年

HTTP/1.1 消除了大量歧义内容并引入了多项改进
特点：
  • 持久连接复用成为默认，不需要声明 Connection: keep-alive，想要关闭可以在响应中增加 Connection: close 声明
  • pipelining 管道，可以一次性发送多个请求，避免了此前一次只能发送一个请求的情况，不过响应需要按照发送的顺序来回复。
  • 增加几种 HTTP 方法
  • 增加分块传输的流模式，响应头携带 Transfer-Encoding:chunked 并在每一个分块增加 Content-Length 表明当前块长度，并在所有内容传输完成的最后追加一个 Content-Length:0 表明传输完成。
  • 增加 range 、Content-Range 相关头，用来支持续传和分段请求。
不足：
  • 存在 Head of line blocking 队头阻塞问题，即同一个连接中有一个请求阻塞了，后续所有请求都将被阻塞。
通过同一个连接实现的请求响应：
 

HTTP/2 2015年

说到 HTTP/2 就不得不提 SPDY，SPDY 是 Google 开发的一个开放网络协议，旨在通过减少延迟来加快网页加载速度。SPDY 在许多方面是 HTTP/2 的先驱，并直接影响了 HTTP/2 的设计和实现。
特点：
  • 兼容 HTTP/1.1
  • 全部使用二进制传输，传输效率更高
  • 引入了多路复用技术，结合 stream 流和 frame 帧的概念，解决了队头阻塞问题。
    • HTTP/1.1 并发请求数量针对每个域名都有限制，而 HTTP/2 可以使用一个连接发送不同业务请求，每个请求通过 streamID 区分，每个 stream 中可以传输多个 message，每个 message 由多个 frame 组成，frame 就是传输的最小单位。
    • 发送时不同请求通过同一个连接并发发送，服务端接到后处理一个就可以返回一个，响应时根据唯一的 streamID 组装响应内容即可。如此避免了 HTTP/1.1 的队头阻塞问题。
  • 支持首部压缩，在同一个连接的不同请求中大部分 header 都是重复的，HTTP/2 使用 HPACK 算法对 header 进行压缩。压缩涉及到很多细节方法
    • 静态表将常见的首部字段都编了号，发送这些首部时，其 key 名直接发送对应的编号即可。
    • 动态表一开始是空的，将随着请求过程中出现的一些不在静态表中的首部填充进去，获得新的编号。
    • 不论静态表还是动态表，其 value 如果是变化的，则使用哈夫曼编码压缩。
  • 支持服务器推送，请求一个网页的同时，还可能需要网页中依赖的静态资源，此时服务端就可以推送这些资源，无须等待客户端主动请求。
不足：
  • HTTP/2 作为应用层协议实际上已经比较完美了，但由于基于 TCP，所以避免不了受 TCP 的特性所影响导致的性能瓶颈，例如三次握手和四次挥手，慢启动和拥塞控制等等，严格来说这些不能算是问题，是设计理念不同的必然结果。
  • 要求 TLS 加密，也增加了建立连接的耗时
  • 移动设备可能频繁切换信号源，导致 socket 四元组发生变化，连接被迫失效，需要重连。
首部压缩的例子：
静态表包括了一些常用的首部字段名称和值。例如：
  • 索引 1：:authority
  • 索引 2：:method: GET
  • ...
  • 索引 40：content-type: application/json
动态表最初是空的，但会随着连接的使用而填充。假设我们有一个请求，其中包括一个不常见的首部字段：
  • custom-header: example-value
这个字段可以添加到动态表中，并分配一个索引，例如索引 41。
我们可以使用静态表和动态表中的索引来表示这些字段：
  • :method: GET 在静态表中，索引为 2
  • :authority: www.example.com 可以使用索引 1 和哈夫曼编码来压缩 www.example.com
  • custom-header: example-value 在动态表中，索引为 41
最终的首部压缩结果：
  • 索引 2
  • 索引 1 + 哈夫曼编码的 www.example.com
  • 索引 41 + 哈夫曼编码的 www.example.com
 

HTTP/3 2018年提案 2020年正式

HTTP/3 是基于 QUIC 协议的 HTTP 版本，致力于进一步提高性能。
特点：
  • 在 UDP 基础上构建，满足可靠数据传输的同时，相较 TCP 有很大性能提升。
  • 基于 TLS 1.3 快速建立安全连接
  • 连接迁移，不使用 TCP 四元组而是使用一个 64位 ID来标识连接，当发生网络环境的变化时，可以不需要重新建立连接。
不过 HTTP/3 的改动相对来说是最大的，目前看推广的覆盖率并没有之前的速度快。
 
参考：
HTTP 的发展：https://developer.mozilla.org/zh-CN/docs/Web/HTTP/Basics_of_HTTP/Evolution_of_HTTP
HTTP协议演进与各版本特性：https://www.biaodianfu.com/http.html
 

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