HTTP协议知识总结_http pipeline 停等方式

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HTTP 1.0

HTTP 1.0的问题

HTTP 1.0中，每一个请求都要开一个连接，请求结束，断开连接。这样的协议有两个问题

• （1）性能问题：每次请求都打开一个新的连接，因为连接数有限，而且连接的建立和断开都很耗时（可能一个页面就会有几十个请求）。
• （2）服务器推送问题：服务器无法主动向客户端推送消息。

Keep-Alive机制

为了解决一个请求完成后连接立即断开的问题，引入了Keep-Alive（保持心跳）机制。客户端在HTTP请求头部加上一个字段Connection：Keep-Alive。服务器端收到带有这样的字段的请求后，会维护一个Keep-Alive timeout参数，服务器在处理完请求后，不会立即断开连接，而是会保持连接，如果在timeout时间内都没有新的请求，那么服务器才会关闭这个连接。

HTTP 1.1

连接复用机制

HTTP 1.1将连接复用变成了默认的了，就算不设置字段Connection：Keep-Alive，请求完后也不会立即关闭连接。要想连接不复用，需要设置字段Connection：Close。

Pipeline和Head-of-line Blocking（队头阻塞）问题

为了让请求变为并发，引入了Pipeline机制，使得一个请求发出之后，在未收到响应之前，可以立即发送第二个请求。但是这里有个致命的问题，也就是Head-of-line Blocking（队头阻塞）问题。虽然Pipeline机制可以让请求并发，但是为了让请求和响应能配对，响应并不能并发。返回的响应需要按照先进先出的（类似队列）的顺序，所以如果第一个响应由于某些原因，会导致后面的响应会被阻塞。

服务器推送

1. 客户端定期轮询：客户端每隔一段时间向服务器发送一个请求，如果服务器有消息就返回（效率较低，不建议）。
2. WebSocket：这是一种基于TCP的可全双工通信的协议，可实现服务器主动推送。
3. HTTP长轮询：保持一个HTTP长连接，如果服务器有新消息，就返回。如果在约定的时间还没有消息，服务器就返回一个空消息，然后客户端关闭该连接，再发起一个新的连接。

HTTP/2

由于HTTP 1.1不够完善，人们就想办法去提高性能，从而出现了HTTP/2.

与HTTP 1.1兼容

由于HTTP 1.1的应用已成主流，所以想要替代它几乎不可能，所以只能向它兼容。其实HTTP/2与HTTP1.1并不是平级的，HTTP/2是介于HTTP1.1与TCP之间的一个转换层。

二进制分帧

为了解决队头阻塞的问题，HTTP/2将一个请求的报文转换成二进制并分成多个帧来进行传输。由于请求和响应都可以乱序的发送，所以需要给每个请求或响应带上一个ID，好让他们匹配。二进制分帧其实并没有完全解决队头阻塞的问题，它只是把这个问题转移到了TCP层面（只要使用TCP协议，为了保证可靠性，采用先进先出，就一定会有队头阻塞的问题）。如果想要彻底解决队头阻塞的问题，只能不使用TCP协议，那就是Google提出的QUIC协议。

SSL/TLS

对称加密的问题

想要传输过程中信息加密，那么采用对称加密是很安全的。服务器和客户端都用同一个密钥对数据进行加密解密。这里面有个问题就是这个密钥要怎么在服务器和客户端之间传输呢？不急，咱先来看看双向非对称加密。

双向非对称加密

如图所示，客户端和服务器各自准备一对公钥密钥对。客户端向发送消息时，先用自己的私钥进行签名，并用服务器的公钥来对信息进行加密。服务器收到消息后，用自己的私钥来对消息解密，并用客户端的公钥来验证签名（签名可以证明这个消息是客户端发送的，且不可抵赖）。服务器向客户端发送消息也是一样的过程。
这里涉及到四个概念，其实就是两种（签名和验签、加密和解密）。

• 签名和验签：私钥签名，公钥验签，可以防止第三方进行篡改（如果被篡改，验签则不能通过），也可以防抵赖（只有私钥可以签名）。
• 加密和解密：公钥加密，私钥解密，可以防止第三方窃取信息，即使第三方截取到了传输的信息，没有私钥，也无法解密。

单向非对称加密

对于安全性要求特别高的场景，比如个人网银等，一般都会给用户一个U盾之类的东西，里面就是客户端的公钥和私钥，这样就可以做到双向非对称加密。但对于一般的场景，服务器并不需要去验证客户端的合法性，只要客户端验证服务器的合法性即可。这样就可以使用单向非对称+对称加密来保证传输的安全性。这也是SSL的原型。

中间人攻击

中间人通过伪造服务器的公钥，然后与客户端进行通信。造成这个问题的原因是客户端不能验证服务器的公钥的合法性，所以需要数字证书。

数字证书

引入一个中间机构CA，服务器先把公钥发给CA，CA给服务器颁发一个数字证书（相当于服务器的身份证），然后服务器将这个证书发给客户端，客户端可以验证这个证书是否是服务器下发的，并可以从证书中获取服务器的公钥。数字证书是怎么验证的呢？数字证书是通过CA的私钥签名生成的，如果被伪造了，那么CA的公钥将无法进行验签。那么如果这个CA机构是伪造的呢，那咋办？

根证书

为了验证CA的合法性，所以需要由CA的上一级给CA颁发证书，最顶级的就是根证书了。至于根证书，我们只能无条件信任，它是由世界上公认的一些机构颁发的，并在用户的操作系统、浏览器发布的时候嵌进去的。如果你信任这个操作系统或浏览器，也就信任了这个根证书。

可以看一下Google网站的证书，有三级，www.google.com是Google网站自己的证书，它的CA机构是GTS CA 101，它的Root CA是GlobalSign。

SSL/TLS协议

看一下SSL/TLS协议的四次握手。

握手完成后，对称密钥的传输也完成了。然后客户端和服务器就可以基于对称加密来进行加密传输了（通过SSL的握手解决了对称密钥的传输问题）。

HTTPS

HTTPS传输过程

HTTPS = HTTP + SSL/TLS。所以HTTPS的传输过程如下，先建立TCP连接，在经过SSL/TLS四次握手，就可以进行HTTPS的对称加密传输了。

SSL/TLS协议与HTTP/2协议一样，也是基于TCP和HTTP之间的，所以它两都是可选的。选了SSL/TLS，那就是HTTPS了。

HTTPS在抓包中明文

这个抓包只限于在本机抓包，如果是第三方抓包（比如黑客），那看到的肯定就是加密的密文了（不然要我HTTPS有何用）。

其实这个抓包软件就相当于中间人攻击中的中间人，伪造了一个CA证书（这里客户端为什么会信任呢，哈哈哈，因为是用户自己同意的，用户自己在计算机安装了一个抓包软件自己的根证书，因为客户端会无条件信任根证书，那么抓包软件伪造了CA证书肯定也会被信任啦。）

抓包软件截取了客户端请求，然后向服务器发送这个请求进行握手，获取到服务器的CA证书，再通过根证书解密获取到服务器的公钥，就可以伪造证书啦。抓包软件利用这个伪造的CA证书获取了客户端的信任，并同时冒充客户端和服务器（这就是中间人）。所以抓包软件在这里属于应用层的，而HTTPS加密是在传输层加密（在应用层肯定不加密(除非应用层自己手动加密)啦，因为是应用层发送的数据），所以在抓包软件中看到的肯定是明文信息啦。

https的加密没有安全问题，但它只是用来防止通信过程中被第三方获取明文（在通信的双方看到的肯定是明文啦）。如果黑客能直接控制通信的双方（你的电脑，或服务器)，那么黑客肯定能看到https明文的。

TCP协议

可靠的传输

可靠传输的三个语义

• 数据包不丢失。通过ACK确认 + 丢失重发来保证数据包不丢失。
• 数据包不重复。根据已确认的ACK，将ACK序列之前的数据包直接丢弃，保证不重复。
• 时序不错乱。服务器按照数据包的编号来进行ACK确认，如果前面有一个数据包没收到，后面的不会被确认，直到等待超时重发，后面的数据包也会被全部重发（可用第二种方式去重）。

TCP的连接状态机

这图有点复杂，懒得画了，网上找了一张。

TCP状态及其描述如下表。

TCP建立连接的三次握手

下图显示了TCP三次握手的过程，以及客户端和服务端状态的变化

为什么需要三次握手呢，因为前两次握手只能保证客户端的发送和接收能力没问题，但此时服务器只知道自己的接收能力没问题，需要第三次握手来确认服务器的发送能力也是没问题的。

TCP断开连接的四次挥手

下图显示了一次典型的TCP四次挥手的过程，以及主动关闭方和被动关闭方的状态变化。在图中是客户端主动断开了连接，这里只是举个例子，服务端一样可以主动断开连接。

为什么是四次挥手，因为如果只进行了1、2次。由于TCP是全双工的，可以处于Half-Close状态，此时就是处于Half-Close状态，客户端到服务器的通道已经关闭，服务器到客户端的通道还没关闭，所以需要第三次和第四次来完全关闭连接。

TIME_WAIT状态

维持TIME_WAIT有两个原因：

1. 可靠地实现TCP的全双工连接终止。
   在四次挥手中，假设最后的ACK丢失了，被动关闭方会重发FIN。主动关闭端必须维护状态，来允许被动关闭方重发最后的ACK；如果它没有维护这个状态，将会对重发FIN返回RST，被动关闭方会认为这是个错误。如果TCP正在执行彻底终止数据流的两个方向所需的所有工作（即全双工关闭），则必须正确处理这四个段中任何一个的丢失。所以执行主动关闭的一方必须在结束时保持TIME_WAIT状态：因为它可能必须重传最后的ACK。
2. 允许旧的重复数据段在网络中过期。
   由于可能会有的数据在网络中还没被接收，可能会被新连接给接收，这样就会造成问题。TCP定义了一个MSL值（默认是120S），也就是一个数据在网络中停留的最长时间不能超过这个时间。但为什么TIME_WAIT的等待时间是MSl * 2呢，因为第三次可能会发生重传，而第三次重传+第四次发送的时间最长是MSL * 2，所以需要让客户端在TIME_WAIT状态等待MSL * 2的时间。