HTTP与HTTP2

网络协议 2025-04-09 qc 手机阅读

HTTP

此文章只讨论HTTP和HTTP2，不讨论TLS和HTTP3

什么是HTTP

HTTP（超文本传输协议，HyperText Transfer Protocol）是

  • OSI七层（应用层，表示层，会话层，传输层，网络层，数据链路层，物理层）
  • TCP/IP四层（应用层，传输层，网络层，数据链路层）

中的应用层协议。

为什么需要HTTP？

HTTP（超文本传输协议）的主要作用是在客户端和服务器之间传输超文本（如HTML）及其他资源。

为什么不直接用tcp传输

  1. tcp是一个面向字节流的协议，会有分包，粘包等
  2. tcp传输数据没有规定格式，无法解析数据（就是这些规定形成了应用层协议）
  3. tcp没标准化，没高层语义

HTTP/1.1

HTTP/1.1就是要解决上面直接用tcp的问题

HTTP/1.1 request由四个部分组成

HTTP与HTTP2-qc的编程笔记
  1. http url http_URL = "http:" "//" host [ ":" port ] [ abs_path [ "?" query ]]
  2. http 请求行 GET / HTTP/1.1
  3. http headers Content-Length: 11
  4. http body { "json":"example" }

http/1.1的三种发送方式

1. http短连接

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2. http长连接

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3. tcp管道

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其中tcp管道已被证明难以实现因为返回时需要按发送的顺序返回。

http/1.1的缺点

  • 请求 / 响应头部（Header）未经压缩就发送，首部信息越多延迟越大。只能压缩 Body 的部分；
  • 发送冗长的首部。每次互相发送相同的首部造成的浪费较多；
  • 服务器是按请求的顺序响应的，如果服务器响应慢，会招致客户端一直请求不到数据，队头阻塞；
  • 没有请求优先级控制；
  • 请求只能从客户端开始，服务器只能被动响应。

HTTP/2

HTTP/2就是来解决HTTP/1.1的缺点的

  • 使用HPACK头部压缩
  • 使用Stream实现多路复用
  • 有优先级控制，stream dependency等设置
  • 支持服务器推送

HTTP/2的优先级，依赖，流量控制后面再实现，这里先实现http2的编解码

HTTP/2 Connection

HTTP/2 建议在客户端与服务端之间只建立一条tcp连接，因为HTTP2可以多路复用

HTTP/2 Stream

  • 流 是 HTTP/2 连接中的一个逻辑通道，用于传输一个 HTTP 请求和响应。
  • 每个流有一个唯一的 流标识符（Stream ID） ，用于区分不同的流。
  • 流是双向的，客户端和服务器可以在同一个流上发送和接收帧。
  • 一个流只能用于传输一个 HTTP 请求和响应，不能复用。

流的特点

  • 唯一性：每个流有一个唯一的流标识符（Stream ID），由发起流的端点分配。
  • 独立性：多个流可以在同一个连接上并行传输，互不干扰。
  • 双向性：客户端和服务器可以在同一个流上发送和接收帧。
  • 有序性：流中的帧必须按顺序发送和接收，以确保消息的完整性。

stream state

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idle（空闲）
  • 初始状态：流在创建时处于 idle 状态。
  • 转换条件：
    • 发送或接收 HEADERS 帧（带 END_STREAM 标志）或 PUSH_PROMISE 帧时，流会从 idle 状态转换到其他状态。
    • 发送 PUSH_PROMISE 帧时，流会进入 reserved (local) 状态。
    • 接收 PUSH_PROMISE 帧时，流会进入 reserved (remote) 状态。
reserved (local)（本地保留）
  • 状态描述：当本地端点（客户端或服务器）发送了 PUSH_PROMISE 帧，表示它承诺将来会推送资源，流进入 reserved (local) 状态。
  • 转换条件：
    • 发送 HEADERS 帧后，流会进入 half closed (remote) 状态。
    • 如果发送或接收 RST_STREAM 帧，流会进入 closed 状态。
reserved (remote)（远程保留）
  • 状态描述：当远程端点发送了 PUSH_PROMISE 帧，表示它承诺将来会推送资源，流进入 reserved (remote) 状态。
  • 转换条件：
    • 接收 HEADERS 帧后，流会进入 half closed (local) 状态。
    • 如果发送或接收 RST_STREAM 帧，流会进入 closed 状态。
open（打开）
  • 状态描述：流处于打开状态，双方都可以发送和接收数据帧。
  • 转换条件：
    • 如果发送或接收 HEADERS 帧（带 END_STREAM 标志），流会进入 half closed 状态。
    • 如果发送或接收 RST_STREAM 帧，流会进入 closed 状态。
half closed (local)（本地半关闭）
  • 状态描述：本地端点已经发送了 END_STREAM 标志，表示本地不会再发送数据，但仍然可以接收来自远程端点的数据。
  • 转换条件：
    • 如果接收到 END_STREAM 标志，流会进入 closed 状态。
    • 如果发送或接收 RST_STREAM 帧，流会进入 closed 状态。
half closed (remote)（远程半关闭）
  • 状态描述：远程端点已经发送了 END_STREAM 标志，表示远程不会再发送数据，但本地仍然可以发送数据。
  • 转换条件：
    • 如果发送 END_STREAM 标志，流会进入 closed 状态。
    • 如果发送或接收 RST_STREAM 帧，流会进入 closed 状态。
closed（关闭）
  • 状态描述：流已经完全关闭，不能再发送或接收任何数据。
  • 转换条件：
    • 一旦流进入 closed 状态，就不能再转换到其他状态。
    • 如果发送或接收 RST_STREAM 帧，流会进入 closed 状态。

HTTP/2 message

在 HTTP/2 中，消息（Message）  是一个逻辑概念，表示一个完整的 HTTP 请求或响应。一个 HTTP/2 消息由一个或多个 帧（Frames）  组成，这些帧通过 流（Stream）  传输。

一个 HTTP/2 消息由以下部分组成：

  1. HEADERS 帧：包含消息的头部字段（如请求方法、状态码、头部字段等）。
  2. DATA 帧（可选）：包含消息的负载数据（如请求体或响应体）。
  3. 其他帧（可选）：如 PRIORITY 帧、CONTINUATION 帧等。

HTTP/2 frame

frame Nameframe Feature
DATAHTTP DATA
HEADERSHTTP HEADER
PRIORITY设置优先级
RST_STREAM错误处理
SETTINGS参数设置
PUSH_PROMISE服务端推送
PINGCHECK ALIVE
GOAWAY停止接受新流
WINDOW_UPDATE流量控制
CONTINUATION延续HEADER

在HTTP/2中没有请求行，使用伪头部字段代替，

伪头部字段特点

  • 名称以冒号开头：伪头部字段的名称以冒号（:）开头，例如 :method、:path。
  • 必须出现在普通头部字段之前：在 HTTP/2 的 HEADERS 帧中，伪头部字段必须出现在所有普通头部字段之前。
  • 不可重复：每个伪头部字段在同一个请求或响应中只能出现一次。
  • 大小写敏感：伪头部字段的名称必须是小写的。

伪头部字段的使用规则

  • 请求中必须包含的伪头部字段：
    • 每个请求必须包含 :method、:scheme、:path 伪头部字段。
    • 如果请求的目标是权威服务器（如 HTTP/1.1 的 Host 头部字段），则必须包含 :authority 伪头部字段。
  • 响应中必须包含的伪头部字段：
    • 每个响应必须包含 :status 伪头部字段。
  • 伪头部字段的顺序：
    • 伪头部字段必须出现在普通头部字段之前。
    • 伪头部字段的顺序没有严格要求，但通常按照 :method、:scheme、:authority、:path 的顺序排列。

HPACK

HPACK是Header帧中data的压缩算法，只用于Header帧的data中

HPACK使用两个表将标题字段与索引相关联。

  • 静态表是预定义的，包含公共标题字段（其中大多数字段为空值）。
  • 动态表动态的，编码器可以使用它来索引编码标题列表中重复的标题字段。

静态表

静态表由预定义的标题字段静态列表组成。

动态表

动态表由按先进先出顺序维护的标题字段列表组成。动态表中的第一个也是最新的条目位于最低索引，而动态表中最早的条目位于最高索引。

动态表最初为空。在解压每个头块时添加条目。

动态表可以包含重复的条目（即具有相同名称和相同值的条目）。因此，解码器不得将重复条目视为错误。

编码器决定如何更新动态表，因此可以控制动态表使用的内存量。为了限制解码器的内存需求，动态表大小受到严格限制。

动态表可以看作一个队列，当容量超过时，先进先出

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HPACK编码

HPACK编码使用两种基本类型：无符号变长整数和八位字节字符串。

无符号边长整数

如果整数值足够小，即严格小于2^N-1，则在N位前缀内对其进行编码。

否则，前缀的所有位都设置为1，值减少2^N-1，使用一个或多个八位字节的列表进行编码。

每个八位字节的最高有效位用作连续标志：除列表中的最后一个八位字节外，其值设置为1。八位字节的剩余位用于对减少的值进行编码。

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字符串

标题字段名称和标题字段值可以表示为字符串文字。字符串文字被编码为八位字节序列，可以直接编码字符串文字的八位字节，也可以使用哈夫曼代码

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字符串文字表示法包含以下字段：

  • H：一位标志，H，指示字符串的八位字节是否为哈夫曼编码。
  • 字符串长度：用于编码字符串文字的八位字节数，编码为带有7位前缀的整数
  • 字符串数据：字符串文字的编码数据。如果H为“0”，则编码数据为字符串文字的原始八位字节。如果H是“1”，则编码数据是字符串文本的哈夫曼编码。

实现参考

RFC 7540: Hypertext Transfer Protocol Version 2 (HTTP/2)

RFC 7541: HPACK: Header Compression for HTTP/2