http1.x,http2.0,http3.0有什么不同

详细了解http的各个版本有什么不同

http协议到底是什么?为什么要分http1.x,http2.0,,这三种有什么不一样,下面详细介绍一下http协议各个版本中不同的地方,让你进一步了解http协议。

什么是HTTP?

超文本传输协议(英文:HyperText Transfer Protocol,缩写:HTTP)是互联网上应用最为广泛的一种网络协议。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。通过HTTP或者HTTPS协议请求的资源由统一资源标识符(URI)来标识。

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是基于TCP/IP的无连接,无状态的协议(每一个HTTP报文不依赖于其前面的报文状态)。HTTP假定其下层协议提供可靠的传输。因此也就是其在TCP/IP协议族使用TCP作为其传输层。

HTTP协议的主要特点可概括如下:

  • 简单: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不同类型。
  • 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。
  • 请求-响应模式:客户端每次向服务器发起一个请求时都建立一个连接, 服务器处理完客户的请求即断开连接。
  • 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。

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HTTP工作过程

HTTP由请求和响应构成,是一个标准的客户端服务器模型(B/S)。HTTP协议永远都是客户端发起请求,服务器回送响应

1、客户机(浏览器)主动向服务器(web server)发出连接请求(这一步骤可能需要DNS解析协议来获取服务器的IP地址)。

2、服务器接受连接请求并建立起连接。 (1,2步即我们所熟知的TCP三次握手)

3、客户机通过此连接向服务器发出GET等http命令,(“HTTP请求报文”)。

4、服务器接到命令并根据命令向客户机传送相应的数据,(“HTTP响应报文”)。

5、客户机接收从服务器送过来的数据。

6、服务器发送完数据后,主动关闭此次连接。 (”TCP四次分手“)。

概况起来就是 客户/服务器传输过程可分为四个基本步骤:

1) 浏览器与服务器建立连接; (TCP三次握手)

2) 浏览器向服务器HTTP请求报文;

3) 服务器响应浏览器请求;

4) 断开连接。(”TCP四次分手“)

HTTP1.X 原理

在http1.0的工作过程中,http传输数据时都要经历三次握手,四次挥手,增加了延时

在http1.1加入了keep-alive来保持tcp连接不断开,减少了部分延时

HTTP 1.x存在的问题

  • 连接无法复用连接无法复用会导致每次请求都经历三次握手和慢启动。三次握手在高延迟的场景下影响较明显,慢启动则对大量小文件请求影响较大。
  • 队头堵塞HOLB队头堵塞Head-Of-Line Blocking(HOLB)导致带宽无法被充分利用,以及后续健康请求被阻塞。HOLB是指一系列包(package)因为第一个包被阻塞;当页面中需要请求很多资源的时候,HOLB(队头阻塞)会导致在达到最大请求数量时,剩余的资源需要等待其他资源请求完成后才能发起请求。针对队头阻塞,人们尝试过以下办法来解决:
  1. HTTP 1.0:下个请求必须在前一个请求返回后才能发出,request-response对按序发生。显然,如果某个请求长时间没有返回,那么接下来的请求就全部阻塞了。
  2. HTTP 1.1:尝试使用 pipeling 来解决,即浏览器可以一次性发出多个请求(同个域名,同一条 TCP 链接)。但 pipeling 要求返回是按序的,那么前一个请求如果很耗时(比如处理大图片),那么后面的请求即使服务器已经处理完,仍会等待前面的请求处理完才开始按序返回。所以,pipeling 只部分解决了 HOLB。
  3. 引入雪碧图、将小图内联等http1.x,http2.0,http3.0有什么不同-2
  • 请求头开销大由于报文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. Header 内容大在一定程度上增加了传输的成本.

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  • 安全因素HTTP 1.x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。
  • 不支持服务端推送消息因为 HTTP/1.x 并没有推送机制。所以通常两种做法, 一是轮询,客户端定时轮询,二是websocket

2.0 工作原理

2015年,HTTP/2 发布。HTTP/2是现行HTTP协议(HTTP/1.x)的替代,但它不是重写,HTTP方法/状态码/语义都与HTTP/1.x一样。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)

HTTP2解决的问题

针对http1.x存在的问题,http2针对的解决方案如下:

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  • 二进制传输HTTP/2 采用二进制格式传输数据,而非 HTTP 1.x 的文本格式,二进制协议解析起来更高效。 HTTP / 1 的请求和响应报文,都是由起始行,首部和实体正文(可选)组成,各部分之间以文本换行符分隔。HTTP/2 将请求和响应数据分割为更小的帧,并且它们采用二进制编码。

    在了解 HTTP/2 之前,需要知道一些通用术语:

    1. Stream: 一个双向流,一条连接可以有多个 streams。
    2. Message: 也就是逻辑上面的 request,response。
    3. Frame::数据传输的最小单位。每个 Frame 都属于一个特定的 stream 或者整个连接。一个 message 可能有多个 frame 组成。Frame 是 HTTP/2 里面最小的数据传输单位,一个 Frame 定义如下:http1.x,http2.0,http3.0有什么不同-5

      Length:也就是 Frame 的长度,默认最大长度是 16KB,如果要发送更大的 Frame,需要显式的设置 max frame size。

      Type:Frame 的类型,譬如有 DATA,HEADERS,PRIORITY 等。

      Flag 和 R:保留位。

      Stream Identifier:标识所属的 stream,如果为 0,则表示这个 frame 属于整条连接。

      Frame Payload:根据不同 Type 有不同的格式。

    Stream 有很多重要特性:

    1. 一条连接可以包含多个 streams,多个 streams 发送的数据互相不影响。
    2. Stream 可以被 client 和 server 单方面或者共享使用。
    3. Stream 可以被任意一段关闭。
    4. Stream 会确定好发送 frame 的顺序,另一端会按照接受到的顺序来处理
    5. Stream 用一个唯一 ID 来标识。如果是 client 创建的 stream,ID 就是奇数,如果是 server 创建的,ID 就是偶数。

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二进制传输把TCP协议的部分特性挪到了应用层,把原来的”Header+Body”的消息”打散”为数个小片的二进制”帧”(Frame),用”HEADERS”帧存放头数据、”DATA”帧存放实体数据。HTP/2数据分帧后”Header+Body”的报文结构就完全消失了,协议看到的只是一个个的”碎片”。

HTTP/2 中,同域名下所有通信都在单个连接上完成,该连接可以承载任意数量的双向数据流。每个数据流都以消息的形式发送,而消息又由一个或多个帧组成。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。

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Header压缩

在 HTTP/1 中,由于使用文本的形式传输 header,在 header 携带 cookie和user agent 的情况下,可能每次都需要重复传输几百到几千的字节。HTTP/2没有使用传统的压缩算法,而是开发了专门的”HPACK”算法,在客户端和服务器两端建立“字典”,用索引号表示重复的字符串,采用哈夫曼编码来压缩整数和字符串,可以达到50%~90%的高压缩率。

具体如下:

  1. HTTP/2 在客户端和服务器端使用“首部表”来跟踪和存储之前发送的键-值对,对于相同的数据,不再通过每次请求和响应发送;
  2. 首部表在 HTTP/2 的连接存续期内始终存在,由客户端和服务器共同渐进地更新;
  3. 每个新的首部键-值对要么被追加到当前表的末尾,要么替换表中之前的值

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  • 多路复用(请求和响应复用)同个域名只需要占用一个 TCP 连接, 在一个 TCP 连接上,我们可以向对方不断发送帧,每帧的 stream identifier 的标明这一帧属于哪个流,然后在对方接收时,根据 stream identifier 拼接每个流的所有帧组成一整块数据。

    上面协议解析中提到的stream id就是用作连接共享机制的.一个request对应一个stream并分配一个id,这样一个连接上可以有多个stream,每个stream的frame可以随机的混杂在一起,接收方可以根据stream id将frame再归属到各自不同的request里面。请求和响应之间互相不影响

    多路复用(MultiPlexing),这个功能相当于是长连接的增强,每个request可以随机的混杂在一起,接收方可以根据request的id将request再归属到各自不同的服务端请求里面。

    多路复用中,支持流的优先级(Stream dependencies),允许客户端告诉server哪些内容是更优先级的资源,可以优先传输。

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  • 服务器端推送HTTP/2 新增的另一个强大的新功能是,服务器可以对一个客户端请求发送多个响应。 换句话说,除了对最初请求的响应外,服务器还可以向客户端推送额外资源,而无需客户端明确地请求。

    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。

    主动推送遵守同源策略, 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。

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  • 提高安全性HTTP/2延续了HTTP/1的“明文”特点,可以像以前一样使用明文传输数据,不强制使用加密通信,不过格式还是二进制,只是不需要解密。

    由于HTTPS已经是大势所趋,而且主流的浏览器Chrome、Firefox等都公开宣布只支持加密的HTTP/2,所以“事实上”的HTTP/2是加密的。也就是说,互联网上通常所能见到的HTTP/2都是使用”https”协议名,跑在TLS上面。HTTP/2协议定义了两个字符串标识符:“h2”表示加密的HTTP/2,“h2c”表示明文的HTTP/2。

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HTTP2存在的问题

  1. http1.x和http2都是基于tcp, tcp作为安全的可靠的传输协议,建立连接的延时还是有点高。主要是TCP 以及 TCP+TLS建立连接的延时。http1.x,http2.0,http3.0有什么不同-12
  2. 无法解决tcp的队头堵塞问题,http2通过多路复用解决http层的对头堵塞,tcp的失败重传的问题还是无解的http1.x,http2.0,http3.0有什么不同-13

HTTP3.0 原理

因为TCP 存在的时间实在太长,已经充斥在各种设备中,并且这个协议是由操作系统实现的,更新起来不大现实。

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基于这个原因,Google 就更起炉灶搞了一个基于 UDP 协议的 QUIC 协议,并且使用在了 HTTP/3 上,HTTP/3 之前名为 HTTP-over-QUIC,从这个名字中我们也可以发现,HTTP/3 最大的改造就是使用了 QUIC。QUIC(Quick UDP Internet Connections,快速 UDP 网络连接) 基于 UDP, 正是看中了 UDP 的速度与效率。同时 QUIC 也整合了 TCP、TLS 和 HTTP/2 的优点,并加以优化。

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QUIC的次要目标包括减少连接和传输延迟,在每个方向进行带宽估计以避免拥塞。它还将拥塞控制算法移动到用户空间,而不是内核空间,此外使用前向纠错(FEC)进行扩展,以在出现错误时进一步提高性能。

HTTP3实现的功能

  • 实现快速握手功能HTTP/2 的连接需要 3 RTT,如果考虑会话复用,即把第一次握手算出来的对称密钥缓存起来,那么也需要 2 RTT,更进一步的,如果 TLS 升级到 1.3,那么 HTTP/2 连接需要 2 RTT,考虑会话复用则需要 1 RTT。而 HTTP/3 首次连接只需要 1 RTT,后面的连接更是只需 0 RTT。

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    使用QUIC协议的客户端和服务端要使用1RTT进行密钥交换,使用的交换算法是DH(Diffie-Hellman)迪菲-赫尔曼算法

    首次连接时客户端和服务端的密钥协商和数据传输过程,其中涉及了DH算法的基本过程:

    1. 客户端对于首次连接的服务端先发送client hello请求。
    2. 服务端生成一个素数p和一个整数g,同时生成一个随机数为私钥a,然后计算出公钥A = mod p,服务端将A,p,g三个元素打包称为config,后续发送给客户端。
    3. 客户端随机生成一个自己的私钥b,再从config中读取g和p,计算客户端公钥B = mod p。然后客户端根据 A、p、b 算出初始密钥 K。B 和 K 算好后,客户端会用 K 加密 HTTP 数据,连同 B 一起发送给服务端;
    4. 客户端使用自己的私钥b和服务端发来的config中读取的服务端公钥,生成后续数据加密用的密钥K = mod p。
    5. 客户端使用密钥K加密业务数据,并追加自己的公钥,都传递给服务端。
    6. 服务端根据自己的私钥a和客户端公钥B生成客户端加密用的密钥K = mod p。
    7. 为了保证数据安全,上述生成的密钥K只会生成使用1次,后续服务端会按照相同的规则生成一套全新的公钥和私钥,并使用这组公私钥生成新的密钥M。
    8. 服务端将新公钥和新密钥M加密的数据发给客户端,客户端根据新的服务端公钥和自己原来的私钥计算出本次的密钥M,进行解密。
    9. 之后的客户端和服务端数据交互都使用密钥M来完成,密钥K只使用1次。http1.x,http2.0,http3.0有什么不同-17

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客户端和服务端首次连接时服务端传递了config包,里面包含了服务端公钥和两个随机数,客户端会将config存储下来,后续再连接时可以直接使用,从而跳过这个1RTT,实现0RTT的业务数据交互。

客户端保存config是有时间期限的,在config失效之后仍然需要进行首次连接时的密钥交换。

  • 集成TLS加密功能
    1. 向前安全前向安全指的是密钥泄漏也不会让之前加密的数据被泄漏,影响的只有当前,对之前的数据无影响

      QUIC使用config的有效期,后续又生成了新密钥,使用其进行加解密,当时完成交互时则销毁,从而实现了前向安全。

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    2. 向前纠错前向纠错也叫前向纠错码Forward Error Correction 简称FEC 是增加数据通讯可信度的方法,在单向通讯信道中,一旦错误被发现,其接收器将无权再请求传输。

      FEC 是利用数据进行传输冗余信息的方法,当传输中出现错误,将允许接收器再建数据。

      QUIC每发送一组数据就对这组数据进行异或运算,并将结果作为一个FEC包发送出去,接收方收到这一组数据后根据数据包和FEC包即可进行校验和纠错。一段数据被切分为 10 个包后,依次对每个包进行异或运算,运算结果会作为 FEC 包与数据包一起被传输,如果不幸在传输过程中有一个数据包丢失,那么就可以根据剩余 9 个包以及 FEC 包推算出丢失的那个包的数据,这样就大大增加了协议的容错性。

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  • 多路复用,解决tcp中存在的队头堵塞问题HTTP2.0协议的多路复用机制解决了HTTP层的队头阻塞问题,但是在TCP层仍然存在队头阻塞问题

    TCP协议在收到数据包之后,这部分数据可能是乱序到达的,但是TCP必须将所有数据收集排序整合后给上层使用,如果其中某个包丢失了,就必须等待重传,从而出现某个丢包数据阻塞整个连接的数据使用

    QUIC协议是基于UDP协议实现的,在一条链接上可以有多个流,流与流之间是互不影响的,当一个流出现丢包影响范围非常小,从而解决队头阻塞问题。

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  • 实现类似TCP的流量控制(…这部分内容多,看参考)

参考文档

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