【计算机网络】应用层HTTP协议

一、HTTP协议简介

HTTP协议全称为超文本传输协议（英语：HyperText Transfer Protocol，缩写：HTTP）是一种用于分布式、协作式和超媒体信息系统的应用层协议，是因特网上应用最为广泛的一种网络传输协议，所有的 WWW 文件都必须遵守这个标准。HTTP 是为 Web 浏览器与 Web 服务器之间的通信而设计的。

HTTP 是一个基于 TCP/IP 通信协议来传递数据的（HTML 文件、图片文件、查询结果等），是一种应用层协议。其中HTTP1.0、HTTP1.1、HTTP2.0均为TCP协议实现，HTTP3.0是基于UDP实现的，现在主要使用的是HTTP1.0和HTTP3.0 。

另外，现在我们访问一些网站时我们可以发现，很多都是使用的HTTPS协议进行通信的，其实 HTTPS 是在 HTTP 的基础之上，利用SSL/TLS来加密数据包，一定程度上保证了数据传输的安全性。HTTPS 开发的主要目的，是提供对网站服务器的身份认证，保护交换资料的隐私与完整性。关于HTTPS的详细内容可见博主的后续文章。

二、HTTP协议的工作原理

HTTP 协议工作与客户端—服务端架构上。浏览器作为 HTTP 客户端通过 URL 向 HTTP 服务端即web服务器发送请求，web服务器根据接收到的请求向客户端发送回响信息，从而实现客户端与服务端之间的通信。

HTTP的注意事项：

• HTTP 的默认端口号是80，但也可以根据自己的意愿改为8080或者其他端口号。
• HTTP 是无连接的：无连接的含义是限制每一次连接只处理一个请求，服务器处理完客户端的请求并接受客户端的应答后，便断开连接，采用这种连接方式可以节省传输的时间，从而提供传输效率。
• HTTP 是媒体独立的：即只要客户端和服务器知道如何处理数据的内容，任何类型的数据都可以提供HTTP协议进行发送，客户端和服务器只需要指定适合的 MIME-type 内容类型。
• HTTP 是无状态的：即HTTP协议对于事务的处理没有记忆能力，那么就意味着如果后续处理需要前面的信息，就必须进行重传，这样可能导致每次连接传输的数据量增大。而另一方面，在服务器不需要先前信息时的应答速度就较快。

下图展示了HTTP协议通信的基本流程:

二、HTTP协议格式

1. 请求格式

客户端发送一个HTTP请求到服务器的请求消息包括以下格式：请求行（request line）、请求头部（header）、空行和请求数据四个部分组成，下图给出了请求报文的一般格式。

请求实例：

2. 响应格式

HTTP响应也由四个部分组成，分别是：状态行、响应头部、空行和响应正文。

响应实例：

三、HTTP请求

1. URL

URL 的定义：
URL 其实就是我们所说的”网址“，URL（Uniform Resource Locator），翻译为统一资源定位符。互连网上的每个文件都有一个唯一的 URL，它包含的信息指出文件的位置以及浏览器应该怎么处理它。

URL 基本格式：

• URL 的标准格式如下：

协议类型:[服务器地址[:端口号]][资源层级 UNIX 文件路径]文件名[?查询字符串][#片段标识符]

• URL 的完整格式如下:

协议类型:[[访问资源需要的凭证信息@]服务器地址[:端口号]][资源层级 UNIX 文件路径]文件名[?查询字符串][#片段标识符]

URL encode 和 URL decode：
像 /、?：等这样的字符，已经被 URL 当做特殊意义理解了，因此这些字符不能随意出现。如果某个参数中需要带有这些特殊字符，就必须先对特殊字符进行转义，即 URL encode。
一个中文字符由 UTF-8 或者 GBK 这样的编码方式构成，虽然在 URL 中没有特殊含义，但是仍然需要进行转义，否则浏览器可能把 UTF-8/GBK 编码中的某个字节当做 URL 中的特殊符号。

转义的规则如下：
将需要转码的字符转为16进制，然后从右到左，取4位(不足4位直接处理)，每2位做一位，前面加上%，编码成%XY格式。

例如：
我们使用百度搜索C++，会得到以下的URL：

https://www.baidu.com/s?ie=utf-8&f=8&rsv_bp=1&rsv_idx=1&tn=baidu&wd=C%2B%2B&fenlei=256&oq=%2526lt%253B%252B%252B&rsv_pq=e54ba5da000bec62&rsv_t=356cAxbNy2N%2FqCyjiqiUM%2FegsZGQCgI7yoN0BsJk0FDJ2jKMW8rVEj11dIg&rqlang=cn&rsv_dl=tb&rsv_enter=0&rsv_btype=t&rsv_sug=1

可以发现 query string 的值是 C%2B%2B、，通过使用 URL encode工具 对其进行解码，就知道 C%2B%2B 就是表示 C++。

2. HTTP请求方法

根据 HTTP 标准，HTTP 请求可以使用多种请求方法。其中HTTP1.0 定义了三种请求方法： GET, POST 和 HEAD 方法。HTTP1.1 新增了六种请求方法：OPTIONS、PUT、PATCH、DELETE、TRACE 和 CONNECT 方法。

方法	描述
GET	请求指定的页面信息，并返回实体主体。
HEAD	类似于 GET 请求，只不过返回的响应中没有具体的内容，用于获取报头
POST	向指定资源提交数据进行处理请求（例如提交表单或者上传文件）。数据被包含在请求体中。POST 请求可能会导致新的资源的建立和/或已有资源的修改。
PUT	从客户端向服务器传送的数据取代指定的文档的内容。
DELETE	请求服务器删除指定的页面。
CONNECT	HTTP/1.1 协议中预留给能够将连接改为管道方式的代理服务器。
OPTIONS	允许客户端查看服务器的性能。
TRACE	回显服务器收到的请求，主要用于测试或诊断。
PATCH	是对 PUT 方法的补充，用来对已知资源进行局部更新 。

其中最常用的就是GET方法和POST方法。

3. HTTP请求报头

HTTP请求头提供了关于请求，响应或者其他的发送实体的信息。

应答头	说明
Allow	服务器支持哪些请求方法（如GET、POST等）。
Content-Encoding	文档的编码（Encode）方法。
Content-Length	表示内容长度。只有当浏览器使用持久HTTP连接时才需要这个数据。
Content-Type	表示后面的文档属于什么MIME类型。Servlet默认为text/plain，但通常需要显式地指定为text/html。由于经常要设置Content-Type，因此HttpServletResponse提供了一个专用的方法setContentType。
Date	当前的GMT时间。可以用setDateHeader来设置这个头以避免转换时间格式的麻烦。
Expires	应该在什么时候认为文档已经过期，从而不再缓存它？
Host	客户端告知服务器, 所请求的资源是在哪个主机的哪个端口上。
Last-Modified	文档的最后改动时间。客户可以通过If-Modified-Since请求头提供一个日期，该请求将被视为一个条件GET，只有改动时间迟于指定时间的文档才会返回，否则返回一个304（Not Modified）状态。Last-Modified也可用setDateHeader方法来设置。
Location	表示客户应当到哪里去提取文档。Location通常不是直接设置的，而是通过HttpServletResponse的sendRedirect方法，该方法同时设置状态代码为302。
Refresh	表示浏览器应该在多少时间之后刷新文档，以秒计。
Server	服务器名字。
Set-Cookie	设置和页面关联的Cookie。
WWW-Authenticate	客户应该在Authorization头中提供什么类型的授权信息？在包含401（Unauthorized）状态行的应答中这个头是必需的。

四、HTTP的状态码

1. HTTP 状态码的介绍

当浏览者访问一个网页时，浏览者的浏览器会向网页所在服务器发出请求。当浏览器接收并显示网页前，此网页所在的服务器会返回一个包含 HTTP 状态码的信息头（server header）用以响应浏览器的请求。HTTP 状态码的英文为 HTTP Status Code。
常见的 HTTP 状态码：

• 200 - 请求成功
• 301 - 资源（网页等）被永久转移到其它URL
• 302 - 资源（网页等）被暂时转移到其它URL
• 404 - 请求的资源（网页等）不存在
• 500 - 内部服务器错误

2. HTTP 状态码的分类

HTTP 状态码由三个十进制数字组成，第一个十进制数字定义了状态码的类型。响应分为五类：信息响应(100 ~ 199) ，成功响应(200 ~ 299) ，重定向(300 ~ 399) ，客户端错误(400~499) 和服务器错误 (500 ~ 599) ：

分类	描述
1**	信息，服务器收到请求，需要请求者继续执行操作
2**	成功，操作被成功接收并处理
3**	重定向，需要进一步的操作以完成请求
4**	客户端错误，请求包含语法错误或无法完成请求
5**	服务器错误，服务器在处理请求的过程中发生了错误

五、简单的HTTP服务器

利用TCP传输协议实现一个只在网页上显示“This is my httpServer!”，的简单HTTP服务器。

封装Server.hpp

#pragma once
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define CRLF "\r\n"
#define SPACE " "
#define SPACE_LEN strlen(SPACE)
#define HOME_PAGE "index.html"
#define ROOT_PATH "wwwroot"

std::string ReadFile(const std::string &path)
{
    std::ifstream in(path, std::ifstream::binary);
    if (!in.is_open())
    {
        return "404 NOT FOUND";
    }

    std::string content;
    std::string line;
    while (std::getline(in, line))
    {
        content += line;
    }
    in.close();
    return content;
}

std::string GetPath(std::string request)
{
    std::size_t pos = request.find(CRLF);
    if(pos == std::string::npos)
    {
        return nullptr;
    }

    // 获取第一行：GET PATH HTTP/1.1 
    std::string line = request.substr(0, pos);
    std::size_t first_space = line.find(SPACE);
    if(first_space == std::string::npos)
    {
        return nullptr;
    }
    std::size_t second_space = line.rfind(SPACE);
    if(second_space == std::string::npos)
    {
        return nullptr;
    }

    std::string path = line.substr(first_space + SPACE_LEN, second_space - (SPACE_LEN + first_space));
    if(path[0] == '/' && path.size() == 1)
        path += HOME_PAGE;

    return path;
}

void _handlerHttpRequest_(int sock)
{
    char buf[1024 * 10] = {0};
    ssize_t read_size = read(sock, buf, sizeof buf);
    if (read_size > 0)
    {
        std::cout << buf;
    }

    // std::string response = "HTTP/1.1 302 Temporarily Moved\r\n"; // 临时重定向
    std::string response = "HTTP/1.1 301 Permanently Moved\r\n"; // 永久重定向
    response += "Location: https://www.baidu.com/\r\n";
    response += "\r\n";

    // write(sock, response.c_str(), response.size());
    send(sock, response.c_str(), response.size(), 0);
}

void handlerHttpRequest(int sock)
{
    char buf[1024 * 10] = {0};
    ssize_t read_size = read(sock, buf, sizeof buf);
    if (read_size > 0)
    {
        std::cout << buf;
    }

    // 获取请求中的路径
    std::string path = GetPath(buf);

    // 请求的文件路径在请求行中，第二个字段就是要访问的文件
    //  GET PATH HTTP/1.1
    std::string resource = ROOT_PATH;
    resource += path;
    
    //debug
    std::cout << resource << std::endl;

    // 获取文件后缀
    std::size_t pos = resource.find(".");
    std::string suffix = resource.substr(pos);

    // 读取文件内容
    std::string html = ReadFile(resource);

    // 回响
    std::string response;
    response = "HTTP/1.0 200 OK\r\n";
    if (suffix == ".jpg")
        response += "Content-Type: image/jpeg\r\n";
    else
        response += "Content-Type: text/html\r\n";

    response += ("Content-Length: " + std::to_string(html.size()) + "\r\n");
    // 添加cookie
    response += "Set-Cookie: this is my cookie content;\r\n";
    response += "\r\n";
    response += html;
    send(sock, response.c_str(), response.size(), 0);
}

class Server
{
public:
    Server(uint16_t port, const std::string &ip = "")
        : _listenSock(-1), _port(port), _ip(ip), _quit(false)
    {
        signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
    }
    ~Server()
    {
        if (_listenSock >= 0)
        {
            close(_listenSock);
        }
    }

public:
    void init()
    {
        // 创建socket
        _listenSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
        if (_listenSock < 0)
        {
            std::cerr << "socket error" << std::endl;
            exit(1);
        }

        // 填充信息
        sockaddr_in addr;
        memset(&addr, 0, sizeof(addr));
        addr.sin_family = PF_INET;
        addr.sin_port = htons(_port);
        addr.sin_addr.s_addr = _ip.empty() ? htonl(INADDR_ANY) : inet_addr(_ip.c_str());

        // bind

        if (bind(_listenSock, (const sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) < 0)
        {
            std::cerr << "bind error" << std::endl;
            exit(2);
        }

        // 监听
        if (listen(_listenSock, 5) < 0)
        {
            std::cerr << "listen error" << std::endl;
            exit(3);
        }
    }

    void loop()
    {
        while (!_quit)
        {
            sockaddr_in peer;
            socklen_t len = sizeof(peer);
            int peer_sock = accept(_listenSock, (sockaddr *)&peer, &len);
            if (peer_sock < 0)
            {
                std::cerr << "accept error" << std::endl;
                exit(4);
            }

            // 多进程版
            pid_t id = fork();
            if (id > 0)
            {
                // 父进程
                close(peer_sock);
            }
            else if (id == 0)
            {
                // 子进程
                close(_listenSock);
                handlerHttpRequest(peer_sock);
                close(peer_sock);
                exit(0);
            }
            else
            {
                std::cerr << "fork error" << std::endl;
                exit(5);
            }
        }
    }

    bool quitServer()
    {
        _quit = true;
        return true;
    }

private:
    int _listenSock; // sock
    uint16_t _port;  // 服务器端口
    std::string _ip; // IP地址
    bool _quit;      // 安全退出的标志
};

实现httpServer

#include 
#include "Server.hpp"

static void Usage(std::string proc)
{
    std::cerr << "Usage:\n\t" << proc << " port" << std::endl;
    std::cerr << "example:\n\t" << proc << " 8080\n"
              << std::endl;
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    if(argc != 2)
    {
        Usage(argv[0]);
        exit(-1);
    }

    uint16_t port = atoi(argv[1]);

    Server server(port);
    server.init();
    server.loop();

    return 0;
}

编写 index.html

DOCTYPE html>
<html>

<head>
    <meta charset="utf-8">
    <title>我的测试title>
head>

<body>
    <p> This is my httpServer!p>
body>

html>

运行结果：