HTTP 协议

HTTP 协议

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HTTP/1.0 {#http10}

multipart/form-data

multipart/form-data 是 HTTP 协议中用于上传文件或表单数据的一种编码格式。

示例：

POST http://www.example.com HTTP/1.1
Content-Type:multipart/form-data; boundary=----WebKitFormBoundaryrGKCBY7qhFd3TrwA
------WebKitFormBoundaryrGKCBY7qhFd3TrwA
Content-Disposition: form-data; name="text"
title
------WebKitFormBoundaryrGKCBY7qhFd3TrwA
Content-Disposition: form-data; name="file"; filename="chrome.png"
Content-Type: image/png
PNG ... content of chrome.png ...
------WebKitFormBoundaryrGKCBY7qhFd3TrwA--

HTTP/2.0 {#http20}

HTTP/2.0 的主要特性包括：

  1. 引入逻辑概念 Stream：一个 TCP 连接可以被多个 Stream 共享，每个 Stream 上都可以跑单独的请求/应答，从而实现了 TCP 连接的复用，即单个 TCP 连接上可以并行的传输多个请求/应答，如下图所示

HTTP/2.0 Stream 复用

  1. 改为二进制协议：使得协议更紧凑
  2. 支持协议头的压缩：大大减少了协议头传输带来的开销
  3. 支持 Server 端的 Push：进一步减少了交互流程
  4. 支持流量控制：并引入了流的优先级、依赖关系，允许对流量和资源进行较为细致的控制

Stream（流）的定义和特性

一个 Stream 表示一个独立的、双向的、在 Client 和 Server 之间的 Frame（帧）交换序列。

Stream 具有如下性质：

  1. 一个 HTTP/2 连接可以包含多个并发打开的流，任何一端都可以和多个流交错通信
  2. 流可以由任一端点开启和关闭
  3. 在流上发送帧的顺序是重要的，接受端按接收的顺序处理帧。尤其是，HEADER 和 DATA 帧的顺序在语义上是有意义的
  4. 流由整数标识（Stream Id），流标识符由启动流的端点分配，并且约定，由 Client 端（浏览器）初始化的流，Id 为奇数，由 Server 端（WebServer）初始化的流，Id 为偶数，0 被保留用作整个 TCP 连接的标识

Frame（帧）

Frame（帧）是 HTTP/2 协议传输的最小单位，帧是二进制结构的。详细定义如下：

HTTP/2 Frame 结构

  • Length：24bit 的无符号整数，标识 Payload 的长度（不包括头本身）
  • Type：帧的类型，常见的类型有：
  • 0x0 – DATA：数据帧，用来承载请求的包体
  • 0x1 – HEADERS：包头帧，用来承载请求的包头
  • 0x3 – RST_STREAM：用来强行关闭流，类似 TCP 中的 RST
  • 0x4 – SETTINGS：用来交换一些参数的设置
  • 0x5 – PUSH_PROMISE：用于 Server 端推送
  • 0x6 – PING：保活
  • 0x8 – WINDOW_UPDATE：用于流量控制
  • Flags：一些标识位，具体定义和 Type 相关，一些常见的定义如下：
  • 对于 PING，0x0 表示请求，0x1 表示是应答
  • 对于 SETTINGS，0x1 表示确认和应用了对端发过来的设置参数，此时 payload 必须为空
  • 对于 HEADERS，0x1（END_STREAM），也就是发送端关闭流；0x4（END_HEADERS）表示本 header block（头部压缩序列化后的二进制流）已经发送完成了
  • 对于 DATA，0x1（END_STREAM），表示关闭流
  • R：一个保留 bit，目前没有意义，必须为 0
  • Stream Identifier：Stream 的 id，是 31bit 的无符号整数，由 client 初始化的 stream 必须为奇数，由 server 端初始化的 stream 必须为偶数。0 被保留，用于连接的控制消息，不允许使用 0 作为新建 stream 的 id
  • Payload：依据 Type 有不同的结构和含义

HTTP 的请求和应答消息

一个 HTTP 的请求/应答消息由如下部分顺序组成：

  • 对于应答消息，可以有 0 个或多个 HEADERS 帧，包含通知类的 HTTP 头（状态码 1xx）
  • 一个 HEADERS 帧（允许包含 0 个或多个 CONTINUATION 帧）包含消息头信息
  • 0 个或多个 DATA 帧，包含消息的 PayLoad
  • 可选的，可以在消息尾包含一个 HEADERS 帧（允许跟随 CONTINUATION 帧）
  • 这些帧序列的最后一个，必须有 END_STREAM 标识，用来结束这个 Stream
  • HEADERS 帧只允许出现在流的开头和结尾

HTTP/3.0 {#http30}

HTTP/3.0 是 HTTP 协议的最新版本，其最大的变化是放弃了 TCP 协议，改用基于 UDP 的 QUIC（Quick UDP Internet Connections）协议。

为什么要使用 QUIC

HTTP/2.0 虽然通过多路复用解决了应用层的队头阻塞问题，但仍然受制于 TCP 协议本身的队头阻塞：当一个 TCP 数据包丢失时，所有后续数据包都必须等待该包重传，即使这些数据属于不同的 HTTP 流。

QUIC 协议的主要优势：

  1. 彻底解决队头阻塞：QUIC 在传输层实现了独立的流，一个流的丢包不会影响其他流
  2. 更快的连接建立：QUIC 将传输层握手和加密握手合并，通常只需 1-RTT 即可建立连接，0-RTT 可用于恢复连接
  3. 连接迁移：QUIC 使用连接 ID 而非四元组（源 IP、源端口、目标 IP、目标端口）标识连接，因此在网络切换（如 WiFi 到 4G）时无需重新建立连接
  4. 内置加密：QUIC 强制使用 TLS 1.3，加密是协议的一部分而非可选项

QUIC 的丢包重传机制

QUIC 采用了类似 TCP 但更优化的丢包检测和重传机制：

1. 丢包检测方式

QUIC 通过两种方式检测丢包：

  • 基于 ACK 的检测：当收到后续数据包的 ACK，但某个数据包仍未被确认时，该数据包被标记为丢失

  • 默认阈值：当比它大的 3 个 Packet Number 都被确认后，认为该包丢失（类似 TCP 的快速重传）

  • 基于超时的检测：使用 PTO（Probe Timeout）机制

  • 如果在预期时间内未收到 ACK，触发超时重传
  • PTO 时间根据平滑 RTT（Smoothed RTT）和 RTT 变化（RTT Variation）动态计算

2. 单调递增的 Packet Number

QUIC 的关键创新是每个数据包都有唯一的 Packet Number，即使是重传：

原始发送: Packet #10, Stream 5, Offset 0-999
丢失检测后重传: Packet #25, Stream 5, Offset 0-999  （使用新的 Packet Number）

优势：
– 消除了 TCP 重传歧义问题（Retransmission Ambiguity）
– 可以精确测量每个数据包的 RTT，优化拥塞控制算法

3. ACK Frame 机制

QUIC 的 ACK Frame 可以确认多个不连续的 Packet Number 范围：

ACK Frame 示例:
Largest Acknowledged: 100
ACK Ranges:
  [98-100]  (收到)
  [95-96]   (收到)
  [90-92]   (收到)

未确认: 93-94, 97  (需要重传)

4. 流级别的独立重传

  • 每个 Stream 独立管理自己的数据偏移（Offset）
  • Stream A 的丢包重传不会阻塞 Stream B 的数据交付
  • 这是 QUIC 解决 TCP 队头阻塞的核心机制

HTTP/3 的主要特性

  1. 基于 QUIC 传输：所有 HTTP/3 连接都运行在 QUIC 之上，继承了 QUIC 的所有优势
  2. 保留 HTTP/2 的优点：
  3. 二进制协议
  4. 头部压缩（使用改进的 QPACK 算法，解决了 HPACK 的队头阻塞问题）
  5. 多路复用
  6. Server Push（虽然在实践中较少使用）
  7. 更好的性能：在弱网环境下，HTTP/3 相比 HTTP/2 有显著的性能提升

协议发现机制

由于 HTTP/3 使用 UDP 而非 TCP，客户端如何知道服务器支持 HTTP/3？

  1. Alt-Svc 头：服务器在 HTTP/1.1 或 HTTP/2 响应中返回 Alt-Svc 头，告知客户端可以通过 QUIC 访问
    Alt-Svc: h3=":443"; ma=2592000
  2. DNS HTTPS 记录：通过 DNS 记录直接声明支持 HTTP/3
  3. 客户端缓存：一旦发现服务器支持 HTTP/3，客户端会记住并在后续连接中直接使用

或使用在线工具检测：
– https://http3check.net/
– https://www.http2.pro/check

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