图解HTTP学习_day09

基于HTTP的功能追加协议

1. 基于HTTP的协议

在建立HTTP标准规范时，制订者主要想把HTTP当做HTML文档的协议。随着时代的发展，Web的用途更具有多样性，比如演化成在线购物网站、SNS（Social Networking Service，社交网络服务）、企业或组织内部的各种管理工具，等等。
而这些网站所追求的功能可通过Web应用和脚本程序实现。即是这些功能已经满足需求，在性能上却未必是最优，这是因为HTTP协议上的限制以及自身性能有限。
HTTP功能上的不足可通过创建一套全新的协议来弥补。可是目前基于HTTP的Web浏览器的使用环境已遍布全球，因此无法完全抛弃HTTP。有一些新协议的规则是基于HTTP的，并在此基础上添加了新的功能。

2. 消除HTTP瓶颈的SPDY

Google在2010年发布了SPDY（取自SPeeDY，发音捅speedy），其开发目标旨在解决HTTP的性能瓶颈，缩短Web页面的加载时间（50%）。

• SPDY - The Chromium Projects
  http://www.chromium.org/spdy/

2.1 HTTP的瓶颈

在FaceBook和Twitter等SNS网站上，几乎能够实时观察到海量用户公开发布的内容，这也是一种乐趣。当几百、几千万的用户发布内容时，Web网站为了保存这些新增内容，在很短的时间内就会发生大量的内容更新。
为了尽可能实时地显示这些更新的内容，服务器上一有内容更新，就需要直接把那些内容反馈到客户端界面上，虽然看起来挺简单的，但HTTP却无法妥善地处理好这项任务。
使用HTTP协议探知服务器上是否有内容更新，就必须频繁地从客户端到服务器端进行确认。如果服务器上没有内容更新，那么就会产生徒劳的通信。
若想在现有Web实现所需的功能，以下这些标准就会称为瓶颈：

• 一条连接上只可发送一个请求。
• 请求只能从客户端开始。客户端不可以接收除响应之外的指令。
• 发送冗长的首部。每次互相发送相同的首部造成的浪费较多。
• 可任意选择数据压缩格式。非强制压缩发送。
  
  图：以前的HTTP通信
  Ajax的解决办法
  Ajax（Asynchronous JavaScript and XML，异步JavaScript与XML技术）是一种有效利用JavaScript和DOM（Document Object Model，文档对象模型）的操作，以达到局部Web页面替换加载的异步通信手段。和以前的同步通信相比，由于它只更新一部分页面，响应中传输的数据会因此而减少，这一优点显而易见。
  Ajax的核心技术是名为XMLHttpRequest的API，通过JavaScript脚本语言的调用就能和服务器进行HTTP通信。借由这种手段，就能从已加载完毕的Web页面上发起请求，只更新局部页面。
  而利用Ajax实时地从服务器获取内容，有可能会导致大量请求产生。另外，Ajax仍为解决HTTP协议本身存在的问题。
  
  图：Ajax通信
  Comet的解决办法
  一旦服务器有内容更新了，comet不会让请求等待，而是直接给客户端返回响应。这是一种通过延迟应答，模拟实现服务器端向客户端推送（Server Push）的功能。
  通常，服务器端接收到请求，在处理完毕后就会立即返回响应，但为了实现推送功能，comet会先将响应置于挂起状态，当服务器端内有内容更新时，再返回该响应。因此，服务器端一旦有更新，就可以立即反馈给客户端。
  内容上虽然可以做到实时更新，但为了保留响应，一次连接的持续时间也变长了。期间，为了维持连接会消耗更多的资源。另外，Comet也仍未解决HTTP协议本身存在的问题。
  
  图：Comet通信
  SPDY的目标
  陆续出现的Ajax和Comet等提高易用性的技术，一定程度上使HTTP得到了改善，但HTTP协议本身的限制也令人有些束手无策。为了根本性的改善，需要有一些协议层面上的改动。

2.2 SPDY的设计与功能

SPDY没有完全改写HTTP协议，而是在TCP/IP的应用层与传输层之间通过新加会话层的形式运作。同时，考虑到安全性问题，SPDY规定通信中使用SSL。
SPDY会以会话层的形式加入，控制对数据的流动，但还是采用HTTP建立通信连接。因此，可照常使用HTTP的GET和POST等方法、Cookie以及HTTP报文等。

图：SPDY的设计
使用SPDY后，HTTP协议额外获得以下功能：

• 多路复用
  通过单一的TCP连接，可以无限制处理多个HTTP请求。所有请求的处理都在一条TCP连接上完成。因此TCP的处理效率得到提高。
• 赋予请求优先级
  SPDY不仅可以无限制地并发处理请求，还可以给请求逐个分配优先级顺序。这样主要是为了在发送多个请求时，解决因带宽低而导致响应变慢的问题。
• 压缩HTTP首部
  压缩HTTP请求和响应的首部。这样一来，通信产生的数据包数量和发送的字节数就更少了。
• 推送功能
  支持服务器主动向客户端推送数据的功能。这样，服务器可直接发送数据，而不必等待客户端的请求。
• 服务器提示功能
  服务器可以主动提示客户端请求所需的资源。由于在客户端发送资源之前就可以获知资源的存在，因此在资源已缓存等情况下，可以避免发送不必要的请求。

2.3 SPDY消除Web瓶颈了吗

希望使用SPDY时，Web的内容端不必做什么特别改动，而Web浏览器及Web服务器都要为对应SPDY做出一定程度上的改动。有好几家Web浏览器已经针对SPDY做出了相应的调整。另外，Web服务器也进行了实验性质的应用，但把该技术导入实际的Web网站却进展不佳。
因为SPDY基本上只是将单个域名（IP地址）的通信多路复用，所以当一个Web网站上使用多个域名下的资源，改善效果就会收到限制。
SPDY的确是一种可有效消除HTTP瓶颈的技术，但很多Web网站存在的问题并非仅仅是由HTTP瓶颈所导致。对Web本身的速度提升，还应该从其他可细致钻研的地方入手，比如改善Web内容的编写方式等。

3. 使用浏览器进行全双工通信的WebSocket

利用Ajax和Comet技术进行通信可以提升Web的浏览速度。但问题在于通信若使用HTTP协议，就无法彻底解决瓶颈问题。WebSocket网络技术正是为了解决这些问题而实际心啊的一套新协议及API。
当时筹划将WebSocket作为HTML5标准的一部分，而现在它却逐渐变成了独立的协议标准。WebSocket标准通信协议在2011年12月11日，被RFC 6455 - The WebSocket Protocol定为标准。

3.1 WebSocket的设计与功能

WebSocket，即Web浏览器与Web服务器之间全双工通信标准。其中，WebSocket协议由IETF定为标准，WebSocketAPI由W3C定为标准。WebSocket技术主要是为了解决Ajax和Comet里XMLHttpRequest附带的缺陷所引起的问题。

3.2 WebSocket协议

一旦Web服务器与客户端之间建立起WebSocket协议的通信连接，之后所有的通信都依靠这个专用协议进行。通信过程中可互相发送JSON、XML、HTML或图片等任意格式的数据。
由于是建立在HTTP基础上的协议，因此连接的发起方仍是客户端，而一旦确立WebSocket通信连接，不论服务器还是客户端，任意一方都可直接向对方发送报文。
WebSocket协议的主要特点如下：

• 推送功能
  支持由服务器向客户端推送数据的推送功能。这样，服务器可直接发送数据，而不必等待客户端的请求。
• 减少通信量
  只要建立起WebSocket连接，就希望一直保持连接状态。和HTTP相比，不但每次连接时的总开销减少，而且由于WebSocket的首部信息很小，通信量也相应减少了。
  为了实现WebSocket通信，在HTTP连接建立之后，需要完成一次“握手”（Handshaking）的步骤。
• 握手·请求
  为了实现WebSocket通信，需要用到HTTp的Upgrade首部字段，告知服务器通信协议发生改变，以达到握手的目的。
  
  Sec-WebSocket-Key字段内记录着握手过程中必不可少的键值。Sec-WebSocket-Protocol字段内记录使用的子协议。
  子协议按WebSocket协议标准在连接分开使用时，定义那些连接的名称。
• 握手·响应
  对于之前的请求，返回状态码101Switching Protocols的响应。
  
  Sec-WebSocket-Accept的字段值是由握手请求中的Sec-WebSocket-Key的字段值生成的。
  成功握手确立WebSocket连接之后，通信时不再使用HTTP的数据帧，而采用WebSocket独立的数据帧。
  
  图：WebSocket通信
• WebSocket API
  JavaScript可调用“The WebSocket API”（http://www.w3.org/TR/websockets/，由W3C标准指定）内提供的WebSocket程序接口，以实现WebSocket协议下全双工通信。
  以下为调用WebSocket API，每50ms发送一次数据的实例。
  

4. 期盼已久的HTTP/2.0

目前主流的HTTP/1.1标准，自1999年发布的RFC2616之后再未经过改订。SPDY和WebSocket等技术纷纷出现，很难断言HTTP/1.1仍是适用于当下的Web的协议。
负责互联网技术标准的IETF（Internet Engineering Task Force，互联网工程任务组）创立httpbis（Hypertext Transfer Protocol Bis，http://datatracker.ietf.org/wg/httpbis/）工作组，其目标是推进下一代HTTP——HTTP/2.0在2014年11月实现标准化。
HTTP/2.0的特点
HTTP/2.0的目标是改善用户在使用Web时的速度体验。由于基本上都会先通过HTTP/1.1与TCP连接，我们以下面的这些协议为基础，探讨一下它们的实现方法。

• SPDY
• HTTPSpeed + Mobility
• Network-Friendly HTTP Upgrade
  HTTP Speed + Mobility 由微软公司起草，是用于改善并提高移动端通信时的通信速度和性能的标准。它建立在Google公司提出的SPDY与WebSocket的基础之上。
  Network-Friendly HTTP Upgrade主要是在移动端通信时改善HTTP性能的标准。
  HTTP/2.0的7项技术
  表1：

压缩	SPDY、Friendly
多路复用	SPDY
TLS义务化	Speed + Mobility
协商	Speed + Mobility，Friendly
客户端拉曳（Client Pull）/服务器推送（Server Push）	Speed + Mobility
流量控制	SPDY
WebSocket	Speed + Mobility

5. Web服务器管理文件的WebDAV

WebDAV（Web-base Distributed Authoring and Versioning，基于万维网的分布式创作和版本控制）是一个可对Web服务器上的内容直接进行文件复制、编辑等操作的分布式系统。它作为扩展HTTP/1.1的协议定义在RFC4918.
除了创建、删除文件等基本功能，它还具备文件创建者管理、文件编辑过程中禁止其他用户内容覆盖的加锁功能，以及对文件内容修改的版本控制功能。

图：WebDAV
使用HTTP/1.1的PUT方法和DELETE方法，就可以对Web服务器上的文件创建和删除操作。科室出于安全性及便捷性等考虑，一般不使用。

5.1 扩展HTTP/1.1的WebDAV

针对服务器上的资源，WebDAV新增加了一些概念。

图：WebDAV扩展的概念
集合（Collection）：是一种统一管理多个资源的概念。以集合为单位可进行各种操作。也可实现类似集合这样的叠加。
资源（Resource）：把文件或集合称为资源。
属性（Property）：定义资源的属性。定义以“名称=值”的格式执行。
锁（Lock）：把文件设置成无法编辑状态。多人同时编辑时，可防止在同一时间进行内容写入。

5.2 WebDAV内新增的方法及状态码

WebDAV为实现远程文件管理，向HTTP/1.1中追加了以下这些方法：
PROPFIND：获取属性
PROPPATCH：修改属性
MKCOL：创建集合
COPY：复制资源及属性
MOVE：移动资源
LOCK：资源加锁
UNLOCK：资源解锁
为配合扩展的方法，状态码也随之扩展。
102 Processing：可正常处理请求，但目前是处理中状态
207 Multi-Status：存在多种状态
422 Unprocessible Entity：格式正确，内容有误
423 Locked：资源已被加锁
424 Failed Dependency：处理与某处请求关联的请求失败，因此不再维持依赖关系
507 Insufficient Storage：保存空间不足

• WebDAV的请求实例
  下面是使用PROPFIND方法对http://www.example.com/file发起获取属性的请求。
  
• WebDAV的响应实例
  下面是针对之前返回的响应。