HTTP 协议发展整理

每次发展都是在优化和解决上一代协议存在的问题，并拓展新功能。

HTTP/0.9（1991 年）

HTTP/0.9 是最初的版本，功能非常简单：

• 只能请求页面：规定服务器只能发送 HTML 和字符串。
• 单一请求方法：只支持 GET 请求。
• 无状态码：没有状态码和错误处理机制。
• 无头部信息：请求和响应都没有头部字段。

HTTP/1.0（1996 年）

HTTP/1.0 是第一个广泛使用的版本，引入了多项重要特性：

• 支持多种内容类型：通过Content-Type头部增加了图像、视频、二进制文件的传输。
• 新增请求方法：支持 POST 和 HEAD 请求。
  • HEAD：仅返回响应头部，不返回响应数据。
• 引入缓存机制：通过Expires和Last-Modified等头部实现缓存。
• 引入状态码：如 200（成功）、404（未找到）、500（服务器错误）等。

存在问题：

• TCP 连接只服务于单次数据发送：每次请求都需要建立新的 TCP 连接，请求完成后立即断开，导致需要频繁连接和中断，性能开销大。

HTTP/1.1（1997 年标准化）

HTTP/1.1 是 HTTP/1.0 的改进版本，解决了 1.0 的主要问题并引入了多项新特性。

• 支持持久连接：使 TCP 连接可以多次复用，解决了 HTTP/1.0 频繁建立连接的问题。通过Connection: keep-alive头部控制连接复用。
• 引入管道机制：允许多个请求同时发送，不必等待上个请求结果返回。但服务端仍按顺序返回请求，还是会存在队头阻塞问题。后续浏览器仅支持了 4-8 个并发连接。
• 断点续传和分块传输：支持Range和Content-Range头部，可以按照对应文件块进行发送。完成响应200 OK，未完成响应206 Partial Content。
• 引入 Cookie 头部字段：新增 Cookie 字段，解决无状态协议下的用户登录状态缓存问题。
• 新增请求方法：
  • PUT：更新资源。
  • PATCH：部分更改资源，类似于部分版的 PUT。
  • DELETE：删除指定资源。
  • OPTIONS：询问服务器支持的请求方法、请求类型、请求头，用于 CORS 预检请求。

HTTP/2（2015 年标准化）

HTTP/2 是对 HTTP/1.1 的重大改进，主要解决性能问题。

• 二进制分帧：在应用层和传输层之间新增了二进制分帧层，采用二进制提高数据处理速度，将传输信息分帧，并使用二进制编码进行封装。

帧分为头信息帧和数据帧：

• 多路复用：
  • 允许同时发起多个请求，且无需按顺序返回，解决了 HTTP/1.1 的管道机制问题。
  • 每个请求/响应构建成数据流，每个数据流分成许多二进制帧，二进制帧通过stream_id区分自己属于哪个数据流。这样只需要通过单个 TCP 连接就可以传输所有请求数据，避免了队头阻塞的问题，实现并行传输，绕过浏览器的连接数限制。
• 头部压缩：使用 HPACK 算法，客户端和服务器同时维护一张头信息表，在互相发送时只传递表字段索引号，减少数据重复传输的成本。头信息通过 gzip 压缩后再发送。
• 服务端推送支持：支持服务器主动推送资源到客户端，减少客户端请求次数。主要用于推送静态资源，如 CSS、JavaScript 等。

注意：这里的服务端推送不是指 SSE（Server-Sent Events），SSE 实际是基于 HTTP/1.1 的技术，这里指的是 Server Push 技术，配合 Push Cache 可以实现特有的缓存机制，浏览器请求文件时，服务器会把相关的文件也推送给客户端，后续客户端发起请求时，会检查 memory、disk，如果都没有命中检查 Push Cache，命中后会直接读取，在 Chrome Dev Tools NetWork 中 Initiator 会显示Push，Size 会显示Push Cache。Push Cache 可以通过 nginx 开启。

HTTP/3（2022 年标准化）

HTTP/3 是基于 QUIC 协议的 HTTP 版本，主要解决传输层的问题。

• QUIC 协议（Quick UDP Internet Connections）：QUIC 是基于 UDP 的传输协议，解决了 TCP 传输层协议的问题。
• 解决 TCP 层队头阻塞问题：
  • TCP 协议单个连接内丢包时，会触发重传机制，阻塞同个连接后面的请求。
  • QUIC 支持同时运行多个数据流，数据流丢包只会阻塞当前数据流，不会影响其他流。
• 缩短连接时间：不存在三次握手，第一个包就可以包含业务数据，使用 DH（Diffie-Hellman）密钥交换算法（Diffie-Hellman）。
• 连接迁移：
  • 不受四元组影响：客户端IP、客户端Port、服务端IP、服务端Port。
  • 四元组其中一个变化后，连接不会异常，仍然可以保持正常连接。使用 64 位随机数Connection ID进行连接操作，网络变化后仍稳定。
• 前向纠错（FEC）：通过数据和额外信息进行发送，在单个包出错时，会通过其他包和 FEC 推算出出错包的数据来进行纠错，进行恢复操作。

思考

1. 为什么现在大部分流行的还是 HTTP/2 协议，或者是说 2021 年左右才开始普及？

在企业级项目中，技术选型通常优先考虑稳定性和生态成熟度。

虽然 HTTP/2 在 2015 年已完成标准化，并且浏览器端很早就支持，但由于服务端基础设施升级成本、工程实践复杂度和 HTTP/1.1 足够用的特性，通常不会随意升级 HTTP 协议。

在 2020 年后，云厂商与 CDN 逐步将 HTTP/2 设为默认选项，在后续部署成本显著降低。

加之 HTTP/3 的出现，突显了 HTTP/2 技术成熟与稳定，HTTP/2 才在近几年成为企业项目中的主流协议选择。

总结

• HTTP/0.9：最初版本，只支持 GET 请求，只能传输 HTML。
• HTTP/1.0：引入多种内容类型、缓存、状态码，但存在频繁建立连接的问题。
• HTTP/1.1：支持持久连接、管道机制、断点续传、Cookie，但仍存在队头阻塞问题。
• HTTP/2：二进制分帧、多路复用、头部压缩，解决了应用层队头阻塞问题。
• HTTP/3：基于 QUIC 协议，解决传输层队头阻塞问题，支持连接迁移、前向纠错。

演进方向：

• 性能优化：从单次连接到持久连接，从串行到并行传输。

  • HTTP/0.9：单次连接，每次请求都需要建立新的 TCP 连接。
  • HTTP/1.0：单次连接，请求完成后立即断开。
  • HTTP/1.1：支持持久连接（Connection: keep-alive），TCP 连接可以多次复用，同时引入管道机制，允许多个请求同时发送（但仍存在队头阻塞）。
  • HTTP/2：多路复用，通过单个 TCP 连接传输所有请求数据，实现并行传输。
  • HTTP/3：基于 QUIC 协议，支持多数据流并行传输，解决传输层队头阻塞。

• 传输效率：从文本协议到二进制协议，从重复传输到头部压缩。

  • HTTP/0.9 - HTTP/1.1：文本协议，头部信息重复传输。
  • HTTP/2：二进制分帧，采用二进制编码提高数据处理速度，头部压缩（HPACK 算法），通过索引表减少重复传输。

• 功能扩展：从简单请求到支持缓存、Cookie、断点续传等。

  • HTTP/0.9：只支持 GET 请求，只能传输 HTML。
  • HTTP/1.0：引入缓存机制（Expires、Last-Modified）、状态码。
  • HTTP/1.1：引入 Cookie 头部字段、断点续传（Range、Content-Range）、新增 PUT、PATCH、DELETE、OPTIONS 请求方法。
  • HTTP/2：服务端推送支持（Server Push），配合 Push Cache 实现特有缓存机制。

参考内容

• HTTP/2 – O’Reilly
• 解读 HTTP1/HTTP2/HTTP3 解读 HTTP1/HTTP2/HTTP3，HTTP/2 相比于 HTTP/1.1 - 掘金