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一文领略 HTTP 的前世今生


每个时代,都不会亏待会学习的人。

大家好,我是 yes。

HTTP 协议在当今的互联网可谓是随处可见,一直默默的在背后支持着网络世界的运行,对于我们程序员来说 HTTP 更是熟悉不过。

平日里我们都说架构是演进的,需求推动着技术的迭代、更新和进步,对于 HTTP 协议来说也是如此。

不知你是否有想过 HTTP 协议是如何诞生的,一开始是怎样的,又是怎么一步一步发展到今天的 HTTP/3 ?

其中经历了哪些不为人知的秘密?

今天我就想和大家一起来看一看 HTTP 的演进之路,来看看它是如何从一个小宝宝成长为现在统治互联网的存在。

不过在此之前,我们先简单的看看互联网的始祖-阿帕网的一段小历史,还是很有趣的。

互联网的始祖-阿帕网

在 1950 年代,通信研究者们认识到不同计算机用户和网络之间的需要通信,这促使了分布式网络、排队论和封包交互的研究。

在1958 年2月7日,美国国防部长尼尔 · 麦克尔罗伊发布了国防部 5105.15 号指令,建立了高级研究计划局(ARPA) 。

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ARPA 的核心机构之一 IPTO(信息处理处)赞助的一项研究导致了阿帕网的开发。

我们来看看这段历史。

在 1962 年,ARPA 的主任聘请约瑟夫·利克莱德担任 IPTO 的第一任主任,他是最早预见到现代交互计算及其在各种应用的人之一。

IPTO 资助了先进的计算机和网络技术的研究,并委托十三个研究小组对人机交互和分布式系统相关技术进行研究。每个小组获得的预算是正常研究补助金的三十至四十倍。

这就是财大气粗啊,研究人员肯定是干劲十足!

在 1963 年利克莱德资助了一个名为 MAC 的研究项目,该项目旨在探索在分时计算机上建立社区的可能性。

这个项目对 IPTO 和更广泛的研究界产生了持久的影响,成为广泛联网的原型。

并且利克莱德的全球网络愿景极大地影响了他在 IPTO 的继任者们。

1964 年利克莱德跳槽到了 IBM,第二任主任萨瑟兰上线,他创建了革命性的 Sketchpad 程序,用于存储计算机显示器的内存,在 1965 年他与麻省理工学院的劳伦斯 · 罗伯茨签订了 IPTO 合同,以进一步发展计算机网络技术。

随后,罗伯茨和托马斯 · 梅里尔在麻省理工学院的 TX-2 计算机和加利福尼亚的 Q-32 计算机之间,通过拨号电话连接实现了第一个数据包交换。

1966 年第三任主任鲍勃 · 泰勒上任,他深受利克莱德的影响,巧的是泰勒和利克莱德一样也是个心理声学家。

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在泰勒的 IPTO 办公室里有三个不同的终端连接到三个不同的研究站点,他意识到这种架构将严重限制他扩展访问多个站点的能力。

于是他想着把一个终端连接到一个可以访问多个站点的网络上,并且从他在五角大楼的职位来说,他有这个能力去实现这个愿景。

美国国防部高级研究计划局局长查理 · 赫茨菲尔德向泰勒承诺,如果 IPTO 能够组织起来,他将提供 100 万美元用于建立一个分布式通信网络。

泰勒一听舒服了,然后他对罗伯茨的工作印象很深刻,邀请他加入并领导这项工作,然后罗伯茨却不乐意。

泰勒不高兴了,于是要求赫茨菲尔德让林肯实验室的主任向罗伯茨施压,要求他重新考虑,这最终促使罗伯茨缓和了态度,于1966年12月加入 IPTO 担任首席科学家。

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在 1968 年6月3日,罗伯茨向泰勒描述了建立阿帕网的计划,18 天后,也就是 6 月 21 日,泰勒批准了这个计划,14 个月后阿帕网建立。

当阿帕网顺利发展时,泰勒于 1969 年9月将 IPTO 的管理权移交给罗伯茨。

随后罗伯茨离开 ARPA 成为 Telenet 的 CEO ,而利克莱德再次回到 IPTO 担任董事,以完成该组织的生命周期。

至此,这段历史暂告一段落,可以看到阿帕网之父罗伯茨还是被施压的才接受这项任务,最终创建了阿帕网,互联网的始祖。

也多亏了利克莱德的远见和砸钱促进了技术的发展,ARPA 不仅成为网络诞生地,同样也是电脑图形、平行过程、计算机模拟飞行等重要成果的诞生地。

历史就是这么的巧合和有趣。

互联网的历史

在 1973 年 ARPA 网扩展成互联网,第一批接入的有英国和挪威计算机,逐渐地成为网络连接的骨干。

1974 年 ARPA 的罗伯特·卡恩和斯坦福的文顿·瑟夫提出TCP/IP 协议。

1986 年,美国国家科学基金会(National Science Foundation,NSF)建立了大学之间互联的骨干网络 NSFNET ,这是互联网历史上重要的一步,NSFNET 成为新的骨干,1990 年 ARPANET 退役。

在 1990 年 ,蒂姆·伯纳斯-李(下文我就称李老) 创建了运行万维网所需的所有工具:超文本传输协议(HTTP)、超文本标记语言(HTML)、第一个网页浏览器、第一个网页服务器和第一个网站。

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至此,互联网开启了快速发展之路,HTTP 也开始了它的伟大征途。

还有很多有趣的历史,比如第一次浏览器大战等等,之后有机会再谈,今天我们的主角是 HTTP。

接下来我们就看看 HTTP 各大版本的演进,来看看它是如何成长到今天这个样子的。

HTTP / 0.9 时代

在 1989 年,李老发表了一篇论文,文中提出了三项现在看来很平常的三个概念。

URI,统一资源标识符,作为互联网上的唯一标识。HTML,超文本标记语言,描述超文本。HTTP ,超文本传输协议,传输超文本。

随后李老就付之于行动,把这些都搞出来了,称之为万维网(World Wide Web)。

那时候是互联网初期,计算机的处理能力包括网速等等都很弱,所以 HTTP 也逃脱不了那个时代的约束,因此设计的非常简单,而且也是纯文本格式。

李老当时的想法是文档存在服务器里面,我们只需要从服务器获取文档,因此只有 “GET”,也不需要啥请求头,并且拿完了就结束了,因此请求响应之后连接就断了。

这就是为什么 HTTP 设计为文本协议,并且一开始只有“GET”、响应之后连接就断了的原因了。

在我们现在看来这协议太简陋了,但是在当时这是互联网发展的一大步!一个东西从无到有是最困难的。

这时候的 HTTP 还没有版本号的,之所以称之为 HTTP / 0.9 是后人加上去了,为了区别之后的版本。

HTTP 1.0 时代

人们的需求是无止尽的,随着图像和音频的发展,浏览器也在不断的进步予以支持。

在 1995 年又开发出了 Apache,简化了 HTTP 服务器的搭建,越来越多的人用上了互联网,这也促进了 HTTP 协议的修改。

需求促使添加各种特性来满足用户的需求,经过了一系列的草案 HTTP/1.0 于 1996 年正式发布。

Dave Raggett 在1995年领导了 HTTP 工作组,他希望通过扩展操作、扩展协商、更丰富的元信息以及与安全协议相关的安全协议来扩展协议,这种安全协议通过添加额外的方法和头字段来提高效率。

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所以在 HTTP/1.0 版本主要增加以下几点:

增加了 HEAD、POST 等新方法。增加了响应状态码。引入了头部,即请求头和响应头。在请求中加入了 HTTP 版本号。引入了 Content-Type ,使得传输的数据不再限于文本。

可以看到引入了新的方法,填充了操作的语义,像 HEAD 还可以只拿元信息不必传输全部内容,提高某些场景下的效率。

引入的响应状态码让请求方可以得知服务端的情况,可以区分请求出错的原因,不会一头雾水。

引入了头部,使得请求和响应更加的灵活,把控制数据和业务实体进行了拆分,也是一种解耦。

新增了版本号表明这是一种工程化的象征,说明走上了正途,毕竟没版本号无法管理。

引入了 Content-Type,支持传输不同类型的数据,丰富了协议的载体,充实了用户的眼球。

但是那时候 HTTP/1.0 还不是标准,没有实际的约束力,各方势力不吃这一套,大白话就是你算老几。

HTTP 1.1 时代

HTTP/1.1 版本在 1997 的 RFC 2068 中首次被记录,从 1995 年至 1999 年间的第一次浏览器大战,极大的推动了 Web 的发展。

随着发展 HTTP/1.0 演进成了 HTTP/1.1,并且在 1999 年废弃了之前的 RFC 2068,发布了 RFC 2616。

从版本号可以得知这是一个小版本的更新,更新主要是因为 HTTP/1.0 很大的性能问题,就是每请求一个资源都得新建一个 TCP 连接,而且只能串行请求。

所以在 HTTP/1.1 版本主要增加以下几点:

新增了连接管理即 keepalive ,允许持久连接。支持 pipeline,无需等待前面的请求响应,即可发送第二次请求。允许响应数据分块(chunked),即响应的时候不标明Content-Length,客户端就无法断开连接,直到收到服务端的 EOF ,利于传输大文件。新增缓存的控制和管理。加入了 Host 头,用在你一台机子部署了多个主机,然后多个域名解析又是同一个 IP,此时加入了 Host 头就可以判断你到底是要访问哪个主机。

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可以看到浏览器大战推进了 Web 的发展,也暴露出 HTTP/1.0 的不足之处,毕竟网络带宽等等都在进步,总不能让协议限制了硬件的发展。

因此提出了 HTTP/1.1 ,主要是为了解决性能的问题,包括支持持久连接、pipeline、缓存管理等等,也添加了一些特性。

再后来到 2014 年对 HTTP/1.1 又做了一次修订,因为其太过庞大和复杂,因此进行了拆分,弄成了六份小文档 RFC7230 – RFC7235

这时候 HTTP/1.1 已经成了标准,其实标准往往是在各大强力竞争对手相对稳定之后建立的,因为标准意味着统一,统一就不用费劲心思去兼容各种玩意。

只有强大的势力才能定标准,当你足够强大的时候你也可以定标准,去挑战老标准。

HTTP 2 时代

随着 HTTP/1.1 的发布,互联网也开始了爆发式的增长,这种增长暴露出 HTTP 的不足,主要还是性能问题,而 HTTP/1.1 无动于衷。

这就是人的惰性,也符合平日里我们对产品的演进,当你足够强大又安逸的时候,任何的改动你是不想理会的。

别用咯。

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这时候 Google 看不下去了,你不搞是吧?我自己搞我的,我自己和我自己玩,我用户群体大,我有 Chrome,我服务多了去了。

Google 推出了 SPDY 协议,凭借着它全球的占有率超过了 60% 的底气,2012年7月,开发 SPDY 的小组公开表示,它正在努力实现标准化。

HTTP 坐不住了,之后互联网标准化组织以 SPDY 为基础开始制定新版本的 HTTP 协议,最终在 2015 年发布了 HTTP/2。

HTTP/2 版本主要增加以下几点:

是二进制协议,不再是纯文本。支持一个 TCP 连接发起多请求,移除了 pipeline。利用 HPACK 压缩头部,减少数据传输量。允许服务端主动推送数据。

从文本到二进制其实简化了整齐的复杂性,解析数据的开销更小,数据更加紧凑,减少了网络的延迟,提升了整体的吞吐量。

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支持一个 TCP 连接发起多请求,即支持多路复用,像 HTTP/1.1 pipeline 还是有阻塞的情况,需要等前面的一个响应返回了后面的才能返回。

而多路复用就是完全异步化,这减少了整体的往返时间(RTT),解决了 HTTP 队头阻塞问题,也规避了 TCP 慢启动带来的影响。

HPACK 压缩头部,采用了静态表、动态表和哈夫曼编码,在客户端和服务器都维护请求头的列表,所以只需要增量和压缩过的头部信息,服务端拿到之后组装一下就能得到完整的头部信息。

形象一点就是如下图所示:

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再具体一点就是下图这样:

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服务端主动推送数据,这个其实就是减少了请求的次数,比如客户端请求 1.html,我把 1.html 需要的 js 和 css 也一块送过去,省的之后客户端再请求我要 js ,我要这个 css。

可以看到 HTTP/2 的整体演进都是往性能优化的角度发展,因为此时的性能就是痛点,任何东西的演进都是哪里痛医哪里。

当然有一些例外,比如一些意外,或者就是“闲的蛋疼”的那种捯饬。

这次推进属于用户揭竿而起为之,你再不给我升级我自己搞了,我有着资本,你自己掂量。

最终结果是好的,Google 后来放弃了 SPDY ,拥抱标准,而 HTTP/1.1 这个历史包袱太重了,所以 HTTP/2 到现在也只有大致一半的网站使用它。

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HTTP 3 时代

这 HTTP/2 还没捂热, HTTP/3 怎么就来了?

这次又是 Google,它自己突破自己,主要也是源自于痛点,这次的痛点来自于 HTTP 依赖的 TCP。

TCP 是面向可靠的、有序的传输协议,因此会有失败重传和按序机制,而 HTTP/2 是所有流共享一个 TCP 连接,所以会有 TCP 层面的队头阻塞,当发生重传时会影响多个请求响应。

并且 TCP 是基于四元组(源IP,源端口,目标IP,目标端口)来确定连接的,而在移动网络的情况下 IP 地址会频繁的换,这会导致反复的建连。

还有 TCP 与 TLS 的叠加握手,增加了延时。

问题就出在 TCP 身上,所以 Google 就把目光瞄向了 UDP。

UDP 我们知道是无连接的,不管什么顺序,也不管你什么丢包,而 TCP 我在之前的文章说的很清楚了TCP疑难杂症解析“不了解的同学可以去看看。

简单的说就是 TCP 太无私了,或者说太保守了,现在需要一种更激进的做法。

那怎么搞? TCP 改不动我就换!然后把 TCP 可靠、有序的功能提到应用层来实现,因此 Google 就研究出了 QUIC 协议。

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QUIC 层来实现自己的丢包重传和拥塞控制,还有出于安全的考虑我们都会用 HTTPS ,所以需要多次握手。

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上面我也已经提到了关于四元组的情况,所以在移动互联网时代这握手的消耗就更加放大了,于是 QUIC 引入了个叫 Connection ID 来标识一个链接,所以切换网络之后可以复用这个连接,达到 0 RTT 就能开始传输。

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注意上图是在已经和服务端握过手之后的,由于网络切换等原因才有 0 RTT ,也就是 Connection ID 在之前生成过了。

如果是第一次建连还是需要多次握手的,我们来看一下简化的握手对比图。

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所以所谓的 0RTT 是在之前已经建连的情况下。

当然还有 HTTP/2 提到的 HPACK,这个是依赖 TCP 的可靠、有序传输的,于是 QUIC 得搞了个 QPACK,也采用了静态表、动态表和哈夫曼编码。

它丰富了 HTTP/2 的静态表,从 61 项加到了 98 项。

上面提到的动态表,是用来存储未包含在静态表中的头部项,假设动态表还未收到,后面来解头部的时候肯定要被阻塞的。

所以 QPACK 就另开一条路,在单向的 Stream 里传输动态表的编解码,单向传输好了,接受端到才能开始解码,也就是说还没好你就先别管,防止做一半卡住了。

那还有前面提到的 TCP 队头阻塞, QUIC 是怎么解决的呢?毕竟它也要保证有序和可靠啊。

因为 TCP 不认识每个流分别是哪个请求的,所以它只能全部阻塞住,而 QUIC 知道,因此比如请求 A 丢包了,我就把 A 卡住了就行,请求 B 完全可以全部放行,丝毫不受影响。

可以看到基于 UDP 的 QUIC 还是很强大的,而且人家用户多,在 2018 年,互联网标准化组织 IETF 提议将 HTTP over QUIC 更名为 HTTP/3 并获得批准。

可以看到需求又推动技术的进步,由于 TCP 自身机制的限制,我们的目光已经往 UDP 上靠了,那 TCP 会不会成为历史呢?

我们拭目以待。

最后

今天我们大致过了一遍 HTTP 发展的历史和它的演进之路,可以看到技术是源于需求,需求推动着技术的发展。

本质上就是人的惰性,只有痛了才会成长。

而且标准其实也是巨头们为了他们的利益推动的,不过标准确实能减轻对接的开销,统一而方便。

当然就 HTTP 来说还是有很多内容的,有很多细节,很多算法,比如拿 Connection ID 来说,不同的四元组你如何保证请求一定会转发到之前的服务器上?

所以今天我只是浅显的谈了谈大致的演进,具体的实现还是得靠各位自己摸索,或者之后有机会我再写一些。

不过相对于这些实现细节我更感兴趣的是历史的演进,这能让我从时代背景等一些约束来得知,为什么这东西一开始是这么设计的,从而更深刻的理解这玩意。

而且历史还是很有趣的,不是么?

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我是 yes,从一点点到亿点点,我们下篇见。

巨人的肩膀

https://www.livinginternet.com/i/ii_ipto.htm

https://jacobianengineering.com/blog/2016/11/1543/

https://w3techs.com/technologies/details/ce-http2

https://www.verizondigitalmedia.com/blog/how-quic-speeds-up-all-web-applications/

https://www.oreilly.com/content/http2-a-new-excerpt/

https://www.darpa.mil/about-us/timeline/dod-establishes-arpa

https://en.wikipedia.org/wiki/ARPANET

https://en.wikipedia.org/wiki/Internet

深入剖析HTTP/3协议 ,陶辉

透视HTTP协议 ,罗剑锋