浏览器中的网络：http1、http2、http3都有些什么优缺点？-灵析社区

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浏览器原理与实践系列文章内容来自极客时间李兵老师《浏览器工作原理与实践》，主要是记录自己的学习过程，基于自己的理解对内容做的一些总结，包括《宏观视角下的浏览器：地址栏键入URL后会发生什么？HTML，CSS，JS又是怎么变成页面显示出来的》《JS中内存机制、数据类型、V8引擎垃圾回收原理、V8怎样执行JS代码，据此可以做哪些性能优化》《V8引擎工作原理》《事件循环系统：宏任务微任务如何有条不紊的执行？》《浏览器中的页面：重绘重排及合成？如何提高页面渲染性能》《网络协议：http1、http2、http3都有些什么优缺点？》《浏览器安全：xss及CSRF攻击有何特点？如何防御》共七篇，此为第六篇

HTTP是浏览器中最重要且使用最多的协议，是浏览器和服务器之间的通信语言，也是互联网的基石。而随着浏览器的发展，HTTP为了能适应新的形式也在持续进化，从http0.9到http3。

超文本传输协议HTTP/0.9

HTTP/0.9是于1991年提出的，主要用于学术交流，需求很简单——用来在网络之间传递HTML超文本的内容，所以被称为超文本传输协议。 它的实现也很简单，采用了基于请求响应的模式，从客户端发出请求，服务器返回数据。

HTTP/0.9的实现有三个特点。

  • 只有一个请求行，并没有HTTP请求头和请求体，因为只需要一个请求行就可以完整表达客户端的需求了。
  • 服务器没有返回头信息，这是因为服务器端并不需要告诉客户端太多信息，只需要返回数据就可以了。
  • 返回的文件内容是以ASCII字符流来传输的，因为都是HTML格式的文件，所以使用ASCII字节码来传输是最合适的。

HTTP/1.0

  • HTTP/1.0引入了请求头和响应头，它们都是以为Key-Value形式保存的，在HTTP发送请求时，会带上请求头信息，服务器返回数据时，会先返回响应头信息。HTTP/1.0通过请求头和响应头来和服务器进行协商，在发起请求时候会通过HTTP请求头告诉服务器它期待服务器返回什么类型的文件、采取什么形式的压缩、提供什么语言的文件以及文件的具体编码。
  • HTTP/1.0引入了状态码， 有的请求服务器可能无法处理，或者处理出错，这时候就需要告诉浏览器服务器最终处理该请求的情况。状态码是通过响应行的方式来通知浏览器的。
  • HTTP/1.0中提供了Cache机制，用来缓存已经下载过的数据，以减轻服务器的压力。
  • HTTP/1.0的请求头中还加入了用户代理的字段，服务器需要统计客户端的基础信息，比如Windows和macOS的用户数量分别是多少。

HTTP/1.1

1. 改进持久连接： HTTP/1.1中增加了持久连接的方法，它的特点是在一个TCP连接上可以传输多个HTTP请求，只要浏览器或者服务器没有明确断开连接，那么该TCP连接会一直保持。持久连接在HTTP/1.1中是默认开启的，所以不需要专门为了持久连接去HTTP请求头设置信息，如果不想要采用持久连接，可以在HTTP请求头中加上Connection: close。目前浏览器中对于同一个域名，默认允许同时建立6个TCP持久连接。

2. 不成熟的HTTP管线化： 持久连接虽然能减少TCP的建立和断开次数，但是它需要等待前面的请求返回之后，才能进行下一次请求。如果TCP通道中的某个请求因为某些原因没有及时返回，那么就会阻塞后面的所有请求，这就是队头阻塞问题。HTTP/1.1中试图通过管线化的技术来解决队头阻塞的问题：将多个HTTP请求整批提交给服务器的技术，虽然可以整批发送请求，不过服务器依然需要根据请求顺序来回复浏览器的请求。

3. 提供虚拟主机的支持： 在HTTP/1.0中，每个域名绑定了一个唯一的IP地址，因此一个服务器只能支持一个域名。但是随着虚拟主机技术的发展，需要实现在一台物理主机上绑定多个虚拟主机，每个虚拟主机都有自己的单独的域名，这些单独的域名都公用同一个IP地址。因此，HTTP/1.1的请求头中增加了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。

4. 对动态生成的内容提供了完美支持： 在设计HTTP/1.0时，需要在响应头中设置完整的数据大小，如Content-Length: 901，这样浏览器就可以根据设置的数据大小来接收数据。不过随着服务器端的技术发展，很多页面的内容都是动态生成的，因此在传输数据之前并不知道最终的数据大小，这就导致了浏览器不知道何时会接收完所有的文件数据。HTTP/1.1通过引入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。

5. 客户端Cookie、安全机制： HTTP/1.1引入了客户端Cookie机制和安全机制

http1的弊端

http1的最核心的优化有三点：

  1. 增加了持久连接；
  2. 浏览器为每个域名最多同时维护6个TCP持久连接；
  3. 使用CDN的实现域名分片机制。

http1缺点 -- 对带宽的利用率却并不理想，有三个原因：

  1. TCP的慢启动： 一旦一个TCP连接建立之后，就进入了发送数据状态，刚开始TCP协议会采用一个非常慢的速度去发送数据，然后慢慢加快发送数据的速度，直到发送数据的速度达到一个理想状态，这个过程称为慢启动。把每个TCP发送数据的过程看成是一辆车的启动过程，当刚进入公路时，会有从0到一个稳定速度的提速过程，TCP的慢启动就类似于该过程。慢启动是TCP为了减少网络拥塞的一种策略，是没有办法改变的。
  2. 同时开启了多条TCP连接，这些连接会竞争固定的带宽： 比如一个页面有200个文件，使用了3个CDN，那么加载该网页的时候就需要建立6 * 3，也就是18个TCP连接来下载资源；在下载过程中，当发现带宽不足的时候，各个TCP连接就需要动态减慢接收数据的速度。这样就会出现一个问题，因为有的TCP连接下载的是一些关键资源，如CSS文件、JavaScript文件等，而有的TCP连接下载的是图片、视频等普通的资源文件，但是多条TCP连接之间又不能协商让哪些关键资源优先下载，这样就有可能影响那些关键资源的下载速度了。
  3. 队头阻塞问题： 在HTTP/1.1中使用持久连接时，虽然能公用一个TCP管道，但是在一个管道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。这意味着不能随意在一个管道中发送请求和接收内容。

http2

http2最重要的特点为多路复用：一个域名只使用一个TCP长连接和消除队头阻塞问题。

HTTP/2如何实现多路复用：添加了一个二进制分帧层，以下为http2请求和接收过程。

  • 首先，浏览器准备好请求数据，包括了请求行、请求头等信息，如果是POST方法，那么还要有请求体。
  • 这些数据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。

HTTP/2其他特性

1. 可以设置请求的优先级： HTTP/2提供了请求优先级，可以在发送请求时，标上该请求的优先级，这样服务器接收到请求之后，会优先处理优先级高的请求。

2. 服务器推送： 当用户请求一个HTML页面之后，服务器知道该HTML页面会引用几个重要的JavaScript文件和CSS文件，那么在接收到HTML请求之后，附带将要使用的CSS文件和JavaScript文件一并发送给浏览器，这样当浏览器解析完HTML文件之后，就能直接拿到需要的CSS文件和JavaScript文件，这对首次打开页面的速度起到了至关重要的作用。

3. 头部压缩： HTTP/2对请求头和响应头进行了压缩。一个HTTP的头文件没有多大，但是浏览器发送请求的时候，基本上都是发送HTTP请求头，很少有请求体的发送，通常情况下页面也有100个左右的资源，如果将这100个请求头的数据压缩为原来的20%，那么传输效率肯定能得到大幅提升。

http3/QUIC

虽然HTTP/2解决了应用层面的队头阻塞问题，不过和HTTP/1.1一样，HTTP/2依然是基于TCP协议的，而TCP最初就是为了单连接而设计的。除了TCP队头阻塞之外，TCP的握手过程也是影响传输效率的一个重要因素。HTTP/1和HTTP/2都是使用TCP协议来传输的，而如果使用HTTPS的话，还需要使用TLS协议进行安全传输，而使用TLS也需要一个握手过程，这样就需要有两个握手延迟过程。

  1. 在建立TCP连接的时候，需要和服务器进行三次握手来确认连接成功，也就是说需要在消耗完1.5个RTT之后才能进行数据传输。
  2. 进行TLS连接，TLS有两个版本——TLS1.2和TLS1.3，每个版本建立连接所花的时间不同，大致是需要1～2个RTT

所以，在传输数据之前，就需要花掉3～4个RTT，如果距离过长，是比较耗时的。

因此，HTTP/3选择了UDP协议，基于UDP实现了类似于 TCP的多路数据流、传输可靠性等功能，这套功能称为QUIC协议

HTTP/3中的QUIC协议集合了以下几点功能：

  • 实现了类似TCP的流量控制、传输可靠性的功能。虽然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。目前QUIC使用的是TLS1.3，相较于早期版本TLS1.3有更多的优点，其中最重要的一点是减少了握手所花费的RTT个数。
  • 实现了HTTP/2中的多路复用功能。和TCP不同，QUIC实现了在同一物理连接上可以有多个独立的逻辑数据流。实现了数据流的单独传输，就解决了TCP中队头阻塞的问题。
  • 实现了快速握手功能。由于QUIC是基于UDP的，所以QUIC可以实现使用0-RTT或者1-RTT来建立连接，这意味着QUIC可以用最快的速度来发送和接收数据，这样可以大大提升首次打开页面的速度。

HTTP/3的挑战

在技术层面，HTTP/3是个近乎完美的协议。不过要将HTTP/3应用到实际环境中依然面临着诸多严峻的挑战，主要来自于以下三个方面。

第一，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。

第二，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。

第三，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。

HTTPS

由于HTTP天生“明文”的特点，整个传输过程完全透明，任何人都能够在链路中截获、修改或者伪造请求/响应报文，数据不具有可信性。因此有了HTTPS。

通常认为，如果通信过程具备了四个特性，就可以认为是“安全”的，这四个特性是：机密性、完整性，身份认证和不可否认。

HTTPS默认端口号443，其他的什么请求-应答模式、报文结构、请求方法、URI、头字段、连接管理等等都完全沿用HTTP。它把HTTP下层的传输协议由TCP/IP换成了SSL/TLS。

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