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HTTP 版本特性

HTTP/2 相比于 HTTP/1.1 大幅度提高了网页的性能，但存在兼容性及如何优雅降级的问题。

虽然 HTTP/2 提高了网页的性能，但不代表它是完美的，HTTP/3 就是为了解决 HTTP/2 存在的一些问题而推出。

一、HTTP/0.9​

  • 只支持 GET 请求方式；
  • 没有请求头；
  • 服务端响应后立即关闭 TCP 连接。

HTTP 最早版本的是 1991 年发布的 0.9 版，该版本极其简单，只有一个命令 GET。

GET /index.html

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，不能回应其它格式。

<html>
  <body>Hello World</body>
</html>

服务器发送完毕就关闭 TCP 连接。

二、HTTP/1.0​

  • 请求方法新增 POST 和 HEAD；
  • 扩充了传输内容格式（图片、音视频资源、二进制等）
  • 添加了请求头和响应头；
  • ...

1996 年 5 月，HTTP/1.0 版本发布，内容大幅度增加。

首先，除了 GET 方法，还引入了 POST 和 HEAD 方法，丰富了浏览器与服务器的互动手段。

其次，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。

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。

三、HTTP/1.1​

  • 请求方法新增 PUT、DELETE、OPTIONS、CONNECT 和 TRACE；
  • 引入持久连接；
  • 引入管线化；
  • 新增 Host 字段；
  • 新增 cache-control 字段；
  • 支持断点传输。

1997 年 1 月，HTTP/1.1 版本发布。它进一步完善了 HTTP 协议，一直流行到现在。

1、新增请求方法​

HTTP/1.1 的请求方法新增了 PUT、DELETE、OPTIONS、TRACE 和 CONNECT。

2、引入持久连接​

HTTP/1.1 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、引入管线化​

HTTP/1.1 还引入了管线化（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。

4、新增 Host 字段​

HTTP/1.1 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.com

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。

5、新增 cache-control 字段​

当浏览器请求资源时，先看是否有缓存的资源，如果有缓存，直接取，不会再发请求，如果没有缓存，则发送请求。

通过设置字段 cache-control 来控制缓存。

6、支持断点传输​

在上传/下载资源时，如果资源过大，将其分割为多个部分，分别上传/下载，如果遇到网络故障，可以从已经上传/下载好的地方继续请求，不用从头开始，提高效率。

7、HTTP/1.1 的缺陷​

  • 队头阻塞导致的高延迟；
  • 无状态特性带来的巨大 HTTP 头部；
  • 明文传输带来的不安全性；
  • 不支持服务器推送消息。

7-1、队头阻塞导致的高延迟​

虽然 HTTP/1.1 允许复用 TCP 连接，但同一个 TCP 连接中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"队头阻塞"（Head-of-line blocking）。

为了避免这个问题，只有两种方法：

  • 减少请求数；
  • 同时多开持久连接。

这导致了很多额外的网页优化工作，比如引入雪碧图、将小图内联到 CSS、使用多个域名等等，例如：

/* 将小图内联到 CSS */
.icon1 {
  background: url(data:image/png;base64,<data>) no-repeat;
}
.icon2 {
  background: url(data:image/png;base64,<data>) no-repeat;
}

7-2、无状态特性带来的巨大 HTTP 头部​

由于报文 Header 一般会携带 "User Agent"、"Cookie"、"Accept"、"Server" 等许多固定的头字段（如下图），多达几百字节甚至上千字节，但 Body 却经常只有几十字节（比如 GET 请求、204/301/304 响应），成了不折不扣的“大头儿子”。Header 里携带的内容过大，在一定程度上增加了传输的成本。更要命的是，成千上万的请求响应报文里有很多字段值都是重复的，非常浪费。

7-3、明文传输带来的不安全性​

HTTP/1.1 在传输数据时，所有传输的内容都是明文，客户端和服务器端都无法验证对方的身份，这在一定程度上无法保证数据的安全性。

7-4、不支持服务器推送消息​

客户端想要获取更新需要通过轮询的方式，十分浪费带宽，占用资源。

WebSocket 是 HTML5 新增的协议，它在浏览器和服务器之间建立一个不受限的双向通信的通道，比如说，服务器可以在任意时刻发送消息给浏览器。

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。

SPDY 位于 HTTP 之下，TCP 和 SSL之上，这样可以轻松兼容老版本的 HTTP 协议（将 HTTP/1.x 的内容封装成一种新的 frame 格式），同时可以使用已有的 SSL 功能。

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​

  • 二进制传输：HTTP 2 头信息和数据体都是二进制；
  • Header 压缩：HTTP 2 使用 HPACK 算法对 header 的数据进行压缩；
  • 多路复用：在共享 TCP 的基础上同时发送请求和响应；
  • 服务器推送：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。

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。

HTTP/2 基于 SPDY，专注于性能，最大的一个目标是在用户和网站间只用一个连接（connection），使用 HTTP/2 能带来 20%~60% 的效率提升。

HTTP/2 的新特性如下：

1、二进制传输​

HTTP/2 传输数据量大幅减少，主要原因是以二进制方式传输和 Header 压缩。

HTTP/2 采用二进制格式传输数据，而非 HTTP/1.x 里纯文本形式的报文，解析起来更高效。而且将请求和响应数据分割为更小的帧，并且采用二进制编码，多个帧之间可以乱序发送，根据帧首部的流标识可以重新组装。

2、Header 压缩​

无论是 HTTP/1.1 还是 HTTP/2，它们都有请求头和响应头，这是浏览器和服务器的通信语言。

HTTP/2 引入了头信息压缩机制（header compression），对请求头和响应头进行了压缩，使得传输效率得到大幅提升。

3、多路复用​

在 HTTP/2 中引入了多路复用的技术，一个域名只使用一个 TCP 长连接来传输数据，这样整个页面资源的下载过程只需要一次慢启动，同时也解决了浏览器限制同一个域名下的请求数量的问题，更容易实现全速传输。

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。

上面是 HTTP/2 最核心的多路复用机制，可以看到每个请求都有一个对应的 ID，如 stream1 表示 index.html 的请求，stream2 表示 foo.css 的请求。这是因为 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。

服务器端接收到这些请求后，会根据自己的喜好来决定优先返回哪些内容，比如服务器可能早就缓存好了 index.html 和 bar.js 的响应头信息，那么当接收到请求的时候就可以立即把 index.html 和 bar.js 的响应头信息返回给浏览器，然后再将 index.html 和 bar.js 的响应体数据返回给浏览器。

之所以可以随意发送，是因为每份数据都有对应的 ID，浏览器接收到之后，会筛选出相同 ID 的内容，将其拼接为完整的 HTTP 响应数据。

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。

HTTP/2 使用了多路复用技术，可以将请求分成一帧一帧的数据去传输，这样带来了一个额外的好处，就是当收到一个优先级高的请求时，比如接收到 JavaScript 或者 CSS 关键资源的请求，服务器可以暂停之前的请求来优先处理关键资源的请求。

4、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）。

场景：当用户请求一个 HTML 页面之后，服务器知道该 HTML 页面会引用几个重要的 JavaScript 文件和 CSS 文件，那么在接收到 HTML 请求之后，附带将要使用的 CSS 文件和 JavaScript 文件一并发送给浏览器，这样当浏览器解析完 HTML 文件之后，就能直接拿到需要的 CSS 文件和 JavaScript 文件，这对首次打开页面的速度起到了至关重要的作用。

另外，服务端可以主动推送，客户端也有权利选择是否接收。如果服务端推送的资源已经被浏览器缓存过，浏览器可以通过发送 RST_STREAM 帧来拒收。主动推送也遵守同源策略，换句话说，服务器不能随便将第三方资源推送给客户端，而必须是经过双方确认才行。

5、HTTP/2 的缺陷​

  • TCP 以及 TCP+TLS 建立连接的延时；
  • TCP 的队头阻塞并没有彻底解决。

5-1、TCP 以及 TCP+TLS 建立连接的延时​

HTTP/2 使用 TCP 协议来传输，如果使用 HTTPS 则需要使用 TLS 协议进行安全传输，而使用 TLS 也需要一个握手过程，这样就需要有两个握手延迟过程：

  1. 建立 TCP 连接时需要和服务器进行三次握手来确认连接成功，也就是说要消耗完 1.5 个 RTT 之后才进行数据传输。
  2. 进行 TLS 连接，TLS 的两个版本 TLS1.2/TLS1.3 建立连接所花的时间不同，大致需要 1~2 个RTT。

总之，在传输数据之前，需要花掉 3～4 个 RTT。

5-2、TCP 的队头阻塞并没有彻底解决​

由于 HTTP/2 中多个请求跑在一个 TCP 管道中，当出现丢包时，TCP 为了保证可靠传输，会进行丢包重传，因此 HTTP/2 出现丢包时整个 TCP 都要开始等待重传，会阻塞该 TCP 连接中的所有请求。

而对于 HTTP/1.1 来说，可以开启多个 TCP 连接，出现这种情况反到只会影响其中一个连接，剩余的 TCP 连接还可以正常传输数据。

六、HTTP/3​

Google 在推 SPDY 时就意识到上面 HTTP/2 的这些问题（由 TCP 协议导致），由于 TCP 协议僵化，几乎不可能通过修改 TCP 协议自身来解决这些问题。于是 Google 另起炉灶搞了一个基于 UDP 协议的 QUIC 协议，让 HTTP 跑在 QUIC 上而非 TCP 上。

这个 HTTP over QUIC 就是 HTTP 协议的下一个大版本，HTTP/3，它在 HTTP/2 的基础上又实现了质的飞跃，真正“完美”地解决了“队头阻塞”问题。

QUIC 虽然基于 UDP，但是在原本的基础上新增了很多功能，例如：

  • 保证数据可靠性传输；
  • 实现了快速握手功能；
  • 集成了 TLS 加密功能；
  • 彻底解决 TCP 中队头阻塞的问题。

1、保证数据可靠性传输​

虽然 UDP 不提供可靠性的传输，但 QUIC 在 UDP 的基础之上增加了一层来保证数据可靠性传输。它提供了数据包重传、拥塞控制以及其他一些 TCP 中存在的特性。

2、实现了快速握手功能​

QUIC 基于 UDP，而 UDP 是“无连接”的，不需要“握手”和“挥手”，所以可以用最快的速度来发送和接收数据。

3、集成了 TLS 加密功能​

QUIC 目前使用的是 TLS1.3，相较于早期版本 TLS1.3 有更多的优点，其中最重要的一点是减少了握手所花费的 RTT 个数。

4、彻底解决队头阻塞的问题​

QUIC 也实现了 HTTP/2 中的多路复用功能，但和 TCP 不同，QUIC 实现了在同一物理连接上可以有多个独立的逻辑数据流，实现了数据流的单独传输，解决了 TCP 中队头阻塞的问题。

七、总结​

版本特性
HTTP/0.9
  • 只支持 GET 请求方式；
  • 没有请求头；
  • 服务端响应后立即关闭 TCP 连接。
HTTP/1.0
  • 请求方法新增 POST 和 HEAD；
  • 扩充了传输内容格式（图片、音视频资源、二进制等）
  • 添加了请求头和响应头；
HTTP/1.1
  • 请求方法新增 PUT、DELETE、OPTIONS、CONNECT 和 TRACE；
  • 引入持久连接；
  • 引入管线化；
  • 新增 Host 字段；
  • 新增 cache-control 字段；
  • 支持断点传输。
HTTP/2
  • 二进制传输；
  • Header 压缩；
  • 多路复用；
  • 服务器推送。
HTTP/3
  • 保证数据可靠性；
  • 快速握手；
  • 集成 TLS 加密；
  • 解决队头阻塞。