HTTP协议的发展历程

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HTTP 1.0

1. 引入了请求头和响应头
2. 提供了 Cache 机制、用户代理、状态码等一些基础信息

问题：连接效率低下，传输速度低

HTTP1.1

1. 增加持久连接Connection: keep-alive
2. 增加了 Host 字段，用来表示当前的域名地址，这样服务器就可以根据不同的 Host 值做不同的处理。
3. 引入 Chunk transfer 机制来解决这个问题，服务器会将数据分割成若干个任意大小的数据块，每个数据块发送时会附上上个数据块的长度，最后使用一个零长度的块作为发送数据完成的标志。这样就提供了对动态内容的支持。
4. 引入Cookie

问题：对带宽的利用率不理想
原因：

1. TCP 的慢启动
2. 同时开启了多条 TCP 连接，那么这些连接会竞争固定的带宽
3. HTTP/1.1 队头阻塞的问题——在一个管道（一个TCP连接）中同一时刻只能处理一个请求，在当前的请求没有结束之前，其他的请求只能处于阻塞状态

知识点： 慢启动和 TCP 连接之间相互竞争带宽是由于 TCP 本身的机制导致的，而队头阻塞是由于 HTTP/1.1 的机制导致的。

HTTP2.0

针对http1.1的缺点，HTTP2.0 的解决方案为：一个域名只使用一个TCP长连接和消除队头阻塞问题

1. 多路复用——引入二进制分帧层
   • 经过二进制分帧层处理之后，会被转换为一个个带有请求 ID 编号的帧，通过协议栈将这些帧发送给服务器
   • 服务器接收到所有帧之后，会将所有相同 ID 的帧合并为一条完整的请求信息
   • 然后服务器处理该条请求，并将处理的响应行、响应头和响应体分别发送至二进制分帧层
   • 同样，二进制分帧层会将这些响应数据转换为一个个带有请求 ID 编号的帧，经过协议栈发送给浏览器
   • 浏览器接收到响应帧之后，会根据 ID 编号将帧的数据提交给对应的请求
2. 可以设置请求的优先级
3. 服务器推送
4. 头部压缩

问题：TCP的队头阻塞
例子：在 HTTP/2 中，多个请求是跑在一个 TCP 管道中的，如果其中任意一路数据流中出现了丢包的情况，那么就会阻塞该 TCP 连接中的所有请求，不同于 HTTP/1.1，使用 HTTP/1.1 时，浏览器为每个域名开启了 6 个 TCP 连接，如果其中的 1 个 TCP 连接发生了队头阻塞，那么其他的 5 个连接依然可以继续传输数据。所以随着丢包率的增加，HTTP/2 的传输效率也会越来越差。有测试数据表明，当系统达到了 2% 的丢包率时，HTTP/1.1 的传输效率反而比 HTTP/2 表现得更好。

思考： 既然TCP 协议存在队头阻塞和建立连接延迟等缺点，那我们是不是可以通过改进 TCP 协议来解决这些问题呢？
答案是：非常困难
原因：TCP 协议僵化

1. 中间设备的僵化
   • 互联网是由多个网络互联的网状结构，为了能够保障互联网的正常工作，我们需要在互联网的各处搭建各种设备，这些设备就被称为中间设备
   • 这些中间设备有很多种类型，并且每种设备都有自己的目的，这些设备包括了路由器、防火墙、NAT、交换机等。它们通常依赖一些很少升级的软件，这些软件使用了大量的 TCP 特性，这些功能被设置之后就很少更新了
   • 如果我们在客户端升级了 TCP 协议，但是当新协议的数据包经过这些中间设备时，它们可能不理解包的内容，于是这些数据就会被丢弃掉。这就是中间设备僵化，它是阻碍 TCP 更新的一大障碍。
2. 受限于操作系统
   • TCP 协议都是通过操作系统内核来实现的，应用程序只能使用不能修改。通常操作系统的更新都滞后于软件的更新，因此要想自由地更新内核中的 TCP 协议也是非常困难的

HTTP 3.0

既然无法通过修改TCP协议来解决问题，那思路就是绕过 TCP 协议，因为中间设备的僵化，这些设备只认 TCP 和 UDP，所以选择在UDP协议的基础再实现一套功能

1. 基于 UDP 实现了类似于 TCP 的多路数据流、传输可靠性等功能，称之为 QUIC 协议

• 实现了类似 TCP 的流量控制、传输可靠性的功能——UDP 不提供可靠性的传输，但 QUIC 在 UDP 的基础之上增加了一层来保证数据可靠性传输。它提供了数据包重传、拥塞控制以及其他一些 TCP 中存在的特性。
• 集成了 TLS 加密功能
• 实现了 HTTP/2 中的多路复用功能——消除TCP队头阻塞
• 实现了快速握手功能

挑战

1. 从目前的情况来看，服务器和浏览器端都没有对 HTTP/3 提供比较完整的支持
2. 部署 HTTP/3 也存在着非常大的问题。因为系统内核对 UDP 的优化远远没有达到 TCP 的优化程度，这也是阻碍 QUIC 的一个重要原因。
3. 中间设备僵化的问题。这些设备对 UDP 的优化程度远远低于 TCP，据统计使用 QUIC 协议时，大约有 3%～7% 的丢包率。
4. 因为动了底层协议，所以 HTTP/3 的增长会比较缓慢，这和 HTTP/2 有着本质的区别。