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计算机网络---http（超文本传输协议）

news 2025/9/1 6:43:06

1. HTTP的定义与核心属性

HTTP（HyperText Transfer Protocol，超文本传输协议）是万维网（WWW）的核心通信协议，定义了客户端（如浏览器、APP）与服务器之间如何传输“超文本”（包括HTML、图片、JSON、视频等资源）的规则。它基于TCP/IP协议栈工作，是一种应用层协议，其设计目标是实现“简单、可扩展、无状态”的通信。

HTTP的两大核心属性决定了其底层逻辑：

无状态（Stateless）：服务器不会记录客户端的历史请求信息。例如，用户第一次访问某网站时登录，第二次访问时服务器仍需重新验证身份——这是为了简化服务器设计、提高并发处理能力，但也带来了“会话维持”的需求（后续通过Cookie、Session补充）。
无连接（Connectionless，早期特性）：HTTP/1.0及之前，每次请求-响应后都会关闭TCP连接。这导致频繁请求时“三次握手”“四次挥手”的开销过大，因此HTTP/1.1引入了Keep-Alive长连接，允许同一TCP连接处理多个请求。

2. HTTP的发展历程：从0.9到3.0的演进

HTTP自1989年由蒂姆·伯纳斯-李（Tim Berners-Lee）设计以来，经历了多次版本迭代，核心目标是优化性能、提升安全性、扩展功能。

版本	发布时间	核心改进
HTTP/0.9	1991年	极简设计：仅支持`GET`方法，无请求头/响应头，响应内容仅为纯HTML文本，无状态码。
HTTP/1.0	1996年	1. 新增`POST`/`HEAD`方法； 2. 引入请求头（如`User-Agent`）和响应头； 3. 支持多种媒体类型（图片、音频等）； 4. 新增状态码（如200、404）。
HTTP/1.1	1999年	1. 支持`Keep-Alive`长连接（默认开启）； 2. 引入“管线化”（Pipelining，允许同时发送多个请求）； 3. 新增`PUT`/`DELETE`/`OPTIONS`方法； 4. 支持虚拟主机（`Host`头）、分块传输（`Transfer-Encoding: chunked`）。
HTTP/2	2015年	1. 采用二进制帧（替代HTTP/1.x的文本格式），减少解析开销； 2. 实现多路复用（同一TCP连接中并行处理多个请求，解决HTTP/1.1的“队头阻塞”）； 3. 支持服务器推送（Server Push，主动向客户端发送依赖资源，如HTML引用的CSS）； 4. 头部压缩（HPACK算法，减少重复头信息传输）。
HTTP/3	2022年	1. 基于QUIC协议（而非TCP），使用UDP实现可靠传输； 2. 彻底解决“队头阻塞”（TCP是连接级阻塞，QUIC是流级阻塞）； 3. 更快的连接建立（0-RTT/1-RTT握手，无需TCP三次握手）； 4. 原生支持加密（基于TLS 1.3）。

当前主流应用仍以HTTP/1.1和HTTP/2为主，HTTP/3正逐步普及（如Chrome、Cloudflare已支持），其核心优势是在高延迟网络（如移动网络）中大幅提升速度。

3. HTTP的工作流程：从“输入URL”到“页面显示”

当用户在浏览器中输入https://www.example.com（注：实际是HTTPS，此处以HTTP逻辑为例）并按下回车，整个HTTP通信流程可分为7个步骤：

步骤1：URL解析与DNS查询

浏览器首先解析URL，提取核心信息：

协议：HTTP/HTTPS；
域名：www.example.com；
端口：HTTP默认80，HTTPS默认443（若URL未指定则用默认）；
路径：如/index.html（默认路径为/）。

随后，浏览器通过DNS查询将域名转换为服务器的IP地址（如192.168.1.1）：先查本地DNS缓存，若未命中则向根DNS、顶级域DNS（.com）、权威DNS逐层查询，最终获取IP。

步骤2：建立TCP连接（HTTP/1.x/2）

HTTP基于TCP实现可靠传输，因此需先完成TCP三次握手：

客户端向服务器发送SYN包，请求建立连接；
服务器返回SYN+ACK包，确认请求并同步序列号；
客户端返回ACK包，连接正式建立。

若为HTTP/3，则跳过TCP握手，直接通过QUIC协议建立UDP连接（仅需1-RTT甚至0-RTT，速度更快）。

步骤3：发送HTTP请求

连接建立后，客户端向服务器发送HTTP请求，请求格式由“请求行 + 请求头 + 空行 + 请求体”四部分组成（示例如下）：

POST /login HTTP/1.1  # 请求行：方法 + 路径 + 版本
Host: www.example.com  # 请求头：Host（指定虚拟主机）
User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) Chrome/112.0.0.0  # 客户端信息
Content-Type: application/json  # 请求体数据类型
Content-Length: 45  # 请求体长度
Cookie: sessionid=abc123  # 客户端会话信息（解决无状态）{"username": "test", "password": "123456"}  # 请求体（仅POST/PUT等方法有）

步骤4：服务器处理请求

服务器（如Nginx、Apache、Tomcat）接收请求后，按以下逻辑处理：

解析请求行：确认HTTP版本、请求方法、目标路径；
解析请求头：获取客户端信息、Cookie、数据类型等；
处理业务逻辑：如查询数据库、验证用户身份（由后端程序如Java/Python实现）；
构建响应数据：生成HTML、JSON等响应内容。

步骤5：返回HTTP响应

服务器处理完成后，向客户端返回HTTP响应，格式为“状态行 + 响应头 + 空行 + 响应体”（示例如下）：

HTTP/1.1 200 OK  # 状态行：版本 + 状态码 + 原因短语
Server: Nginx  # 服务器软件
Content-Type: text/html; charset=utf-8  # 响应体类型
Content-Length: 1024  # 响应体长度
Set-Cookie: token=def456; Path=/  # 服务器向客户端设置Cookie<!DOCTYPE html>  # 响应体：HTML内容
<html><head><title>首页</title></head><body>欢迎访问！</body>
</html>

步骤6：关闭TCP连接（或复用）

若为HTTP/1.0（无Keep-Alive）：响应完成后立即执行TCP四次挥手关闭连接；
若为HTTP/1.1（默认Keep-Alive）：连接会保持一段时间（由Keep-Alive: timeout=5指定），期间可复用处理后续请求；
若为HTTP/2/3：连接默认长期复用，通过多路复用处理多个请求。

步骤7：浏览器渲染响应体

客户端接收响应后，若响应体是HTML，浏览器会按“解析HTML→构建DOM树→解析CSS→构建CSSOM树→合成渲染树→布局→绘制”的流程渲染页面，最终显示给用户。

4. HTTP核心组件：方法、状态码与头字段

4.1 HTTP请求方法：定义“客户端想做什么”

HTTP方法规定了客户端对服务器资源的操作类型，核心方法及语义如下：

方法	语义	幂等性（多次请求结果一致）	安全性（不修改服务器资源）	常见场景
GET	获取资源	是	是	访问页面、查询数据（如`/user?id=1`）
POST	提交资源（创建/修改）	否	否	登录、上传文件、提交表单
PUT	全量更新资源	是	否	修改用户信息（如`/user/1`，覆盖全字段）
DELETE	删除资源	是	否	删除数据（如`/user/1`）
HEAD	获取资源头部（无体）	是	是	检查资源是否存在（如文件大小）
OPTIONS	询问服务器支持的方法	是	是	CORS预检请求（跨域时）
PATCH	部分更新资源	是	否	修改用户昵称（仅传`nickname`字段）

关键区别：GET请求的参数会拼在URL中（如/search?keyword=test），长度有限且暴露隐私；POST参数在请求体中，更安全且支持大数据传输。

4.2 HTTP状态码：定义“服务器的处理结果”

状态码是服务器返回的3位数字，用于告知客户端请求的处理状态，分为5大类：

1xx 信息性状态码（临时响应）

100 Continue：服务器已接收请求头，客户端可继续发送请求体（常用于大文件上传）。

2xx 成功状态码（请求已处理）

200 OK：请求成功，响应体为资源内容（最常见状态码）；
204 No Content：请求成功，但无响应体（如DELETE删除成功）；
206 Partial Content：部分请求成功（用于断点续传，如视频分片下载）。

3xx 重定向状态码（需进一步操作）

301 Moved Permanently：资源永久迁移，浏览器会缓存新地址（如旧域名跳转新域名）；
302 Found：资源临时迁移，不缓存新地址（如登录后跳转首页）；
304 Not Modified：资源未修改，客户端直接使用本地缓存（关键缓存状态码）；
307 Temporary Redirect：与302类似，但严格保持请求方法（如POST不会转为GET）。

4xx 客户端错误状态码（请求有误）

400 Bad Request：请求格式错误（如JSON语法错误）；
401 Unauthorized：请求未授权（需登录，响应头会提示认证方式）；
403 Forbidden：请求已授权，但无访问权限（如普通用户访问管理员页面）；
404 Not Found：资源不存在（最常见错误，如URL路径错误）；
405 Method Not Allowed：请求方法不支持（如用GET访问仅支持POST的接口）。

5xx 服务器错误状态码（服务器故障）

500 Internal Server Error：服务器内部错误（如代码bug、数据库崩溃）；
502 Bad Gateway：网关错误（如Nginx反向代理时，后端服务器无响应）；
503 Service Unavailable：服务器暂时不可用（如维护中，通常会返回Retry-After头告知重试时间）；
504 Gateway Timeout：网关超时（后端服务器处理时间过长）。

4.3 HTTP头字段：传递“额外元信息”

头字段是请求/响应中键值对的集合，用于传递客户端、服务器、资源的元信息，核心头字段分类如下：

通用头：请求和响应都可使用，如Date（时间）、Cache-Control（缓存控制）；
请求头：仅客户端发送，如User-Agent（客户端标识）、Cookie（会话信息）、Accept（可接收的媒体类型）；
响应头：仅服务器发送，如Server（服务器标识）、Set-Cookie（设置Cookie）、Location（重定向地址）；
实体头：描述请求体/响应体，如Content-Type（数据类型）、Content-Length（数据长度）、ETag（资源指纹）。

5. HTTP的核心痛点与优化：缓存、安全与跨域

5.1 HTTP缓存：提升性能的关键

HTTP缓存是减少重复请求、降低服务器压力、加快页面加载的核心机制，分为强缓存和协商缓存：

强缓存（本地缓存，无需发请求）

由Cache-Control或Expires头控制：

Cache-Control: max-age=3600：资源在本地缓存3600秒（1小时），期间无需请求服务器；
Expires: Wed, 29 Aug 2025 12:00:00 GMT：HTTP/1.0的缓存头，指定资源过期时间（优先级低于Cache-Control）。

若缓存未过期，浏览器直接使用本地资源，控制台会显示“200 OK (from disk cache)”。

协商缓存（需发请求，验证资源是否更新）

若强缓存过期，客户端会发送请求到服务器，通过以下头字段验证资源是否变化：

Last-Modified + If-Modified-Since：基于资源修改时间。服务器返回Last-Modified: Wed, 28 Aug 2024 10:00:00 GMT，客户端下次请求时携带If-Modified-Since: 相同时间，服务器若判断资源未修改则返回304；
ETag + If-None-Match：基于资源内容指纹（如MD5）。服务器返回ETag: "abc123"，客户端下次请求携带If-None-Match: "abc123"，服务器若指纹一致则返回304（优先级高于时间验证，避免“修改时间变但内容不变”的误判）。