【常见开源库的二次开发】HTTP之libcurl库——基础知识扫盲（一）

简介：

       libcurl是一个开源的、跨平台的网络传输库，它支持多种协议，包括HTTP、HTTPS、FTP、FTPS、TFTP、SCP、SFTP、SMB、SMBS、TELNET、DICT、LDAP、LDAPS、FILE、POP3、IMAP、SMTP、RTMP和RTMPS。libcurl库以其灵活性和易用性而闻名，它允许开发者轻松地在其应用程序中集成网络通信功能，本章我们先对HTTP和HTTPS，密码学等基础知识进行一个学习和掌握

一、HTTP相关知识

1.1 http协议的特性    

       HTTP（超文本传输协议）是一种建立在TCP/IP协议栈之上的应用层协议。它通常使用TCP作为其传输层协议，并且默认情况下使用端口80进行通信。在某些情况下，HTTP服务也可能使用端口8080，尤其是在端口80被其他服务占用时。

HTTP协议的两个关键特性是：

1. 无状态：这意味着HTTP服务器不会在不同的请求之间保留任何客户端状态信息。每个HTTP请求都是独立的，服务器不会记住之前的请求。这种设计简化了服务器端的实现，因为它不需要维护客户端状态。然而，这也意味着如果需要维护状态（例如，在用户会话中），则需要使用其他机制，如cookies或会话标识符。
   
2. 无连接：传统的HTTP（HTTP/1.0）在处理完一个请求后会立即关闭TCP连接。这意味着每个请求都需要重新建立连接，这有助于减少服务器的资源占用，但同时也可能导致效率降低。HTTP/1.1引入了持久连接（keep-alive）机制，允许在单个TCP连接上发送多个请求和接收响应，从而提高了效率。
   

       这些特性使得HTTP协议简单且易于实现，但同时也带来了一些性能和状态管理方面的挑战。随着HTTP/1.1、HTTP/2和HTTP/3的引入，HTTP协议在这些方面得到了改进，例如通过持久连接和多路复用来减少延迟，以及通过加密提高安全性。

1.2 http协议的请求与响应：

       HTTP协议的报文可以通过抓包工具如HTTPWatch来捕获和分析。HTTP报文分为请求报文和响应报文，它们都遵循相似的结构，主要由以下三部分组成：

       1. 请求行（Request Line）或状态行（Status Line）：        

               （1）在请求报文中，请求行包含了请求方法（如GET、POST、PUT等）、请求的URL和HTTP协议的版本。

   

               （2）在响应报文中，状态行包含了HTTP协议的版本、状态码（如200、404等）和状态描述。

       2. 请求头（Headers）或响应头（Headers）：

              请求头和响应头包含了关于请求或响应的额外信息，如内容类型（Content-Type）、内容长度（Content-Length）、缓存控制（Cache-Control）、cookie、认证信息等。这些头部字段都是以键值对的形式出现，并且每行一个。

       3. 请求体（Body）或响应体（Body）：

              请求体通常在POST或PUT请求中使用，用于发送数据到服务器，如表单数据或JSON数据。 响应体包含了服务器返回的实际数据，如HTML文档、图片、视频等。

       HTTP报文在传输时是使用ASCII码格式，这使得它们易于阅读和调试。然而，实际的数据（如图片、视频、二进制文件等）通常会被编码为字节流，并通过Content-Type头部字段指定其类型。

       在TCP/IP协议栈中，HTTP协议工作在应用层，而TCP则作为传输层协议负责提供可靠的数据传输服务。当HTTP报文准备好后，它们会被封装在TCP段中，并通过IP层进行传输。

1.2.1 请求行：

1. GET：

        （1）GET方法用于请求指定的资源。它是HTTP中最常用的方法之一，通常用于获取数据。

       （2）GET请求的参数是通过URL的查询字符串（query string）传递的，这意味着参数是可见的，并且可以被浏览器缓存。

       （3）由于参数暴露在URL中，GET请求不适合传输敏感信息（如密码）。

       （4）GET请求是幂等的，即多次相同的GET请求应该产生相同的资源状态，不会对服务器上的资源产生副作用。

2. POST：

       （1）POST方法用于向指定资源提交数据，请求服务器进行处理（例如提交表单或上传文件）。

       （2）POST请求的数据包含在请求体中，而不是URL中，这使得它可以传输更大量的数据，并且相对安全（尽管仍然不是加密的）。

       （3）POST请求不是幂等的，即多次相同的POST请求可能会产生不同的结果，因为每次请求都可能创建新的资源。

3. PUT：

       （1）PUT方法用于向指定资源位置上传最新的内容。

       （2）PUT请求通常用于更新现有资源，它要求客户端提供完整的资源表示，而不仅仅是更改的部分。

       （3）PUT请求是幂等的，无论执行多少次，只要资源标识符（通常是URL）相同，结果都应该是一样的。这意味着如果一个PUT请求成功执行，后续相同的PUT请求不应该改变服务器上的资源状态。

4. URL：

       URL（统一资源定位符）是网络资源的地址。在HTTP请求中，URL指定了客户端希望访问的服务器上的资源位置。

       URL通常包括协议（如http或https）、服务器地址（域名或IP地址）、端口号（可选）、路径和查询字符串（可选）。

例如，https://www.example.com/path/to/resource?param1=value1¶m2=value2 中：

       https 是协议

       www.example.com 是服务器地址

       /path/to/resource 是路径

       ?param1=value1¶m2=value2 是查询字符串。

1.2.2 GET和POST区别:

       GET和POST请求在多个方面有所不同，这些差异主要体现在URL可见性、数据传输方式、缓存性和对后续页面的影响等方面：

       1. URL可见性：

               （1）GET：参数直接附加在URL的查询字符串中，因此对用户和任何监视网络流量的人来说都是可见的。

               （2）POST：参数包含在请求体（body）中，而不是URL中，因此不会显示在浏览器的地址栏或服务器日志中，提供了一定程度的隐私性。

       2. 数据传输：

               （1）GET：数据是通过URL的查询字符串传递的，格式通常为`key1=value1&key2=value2`。

               （2）POST：数据是通过请求体传输的，可以采用多种格式，如`application/x-www-form-urlencoded`、`multipart/form-data`或`application/json`等。

       3. 缓存性：

               （1）GET：由于GET请求通常用于获取数据，它们可以被浏览器和服务器缓存，以提高性能。例如，浏览器可能会缓存GET请求的响应，以便在用户再次访问相同页面时快速加载。

               （2）POST：POST请求通常用于修改服务器上的数据，因此它们不应该被缓存，以避免潜在的数据不一致问题。

       4. 对后续页面的影响：

               （1）GET：GET请求不应该对服务器上的数据产生副作用，即它们应该是幂等的。这意味着无论执行多少次相同的GET请求，服务器上的数据状态应该保持不变。

               （2）POST：POST请求可能会改变服务器上的数据状态，例如创建新资源或更新现有资源。因此，它们不是幂等的，多次执行相同的POST请求可能会产生不同的结果。

       5. 传输数据的大小：

              （1） GET：由于GET请求的数据是通过URL传递的，而URL的长度通常有限制（不同的浏览器和服务器可能有不同的限制，但一般在2KB到4KB之间），因此GET请求能够传输的数据量相对较小。

               （2）POST：POST请求的数据是通过请求体传输的，理论上可以传输大量数据，只要服务器和客户端的配置允许。在PHP中，可以通过修改`php.ini`文件中的`post_max_size`设置来调整POST请求的最大数据量。

       6. 安全性：

               （1）GET：由于GET请求的参数直接显示在URL中，容易被第三方截获和查看，因此不适合传输敏感信息。

               （2）POST：POST请求的参数包含在请求体中，不会直接显示在URL或服务器日志中，因此提供了一定程度的安全性。然而，这并不意味着POST请求就是完全安全的，因为数据在传输过程中仍然可能被截获。为了提高安全性，通常需要对传输的数据进行加密处理。

       本质区别：

               TCP数据包的数量：有一种观点认为，GET请求只产生一个TCP数据包（请求头和数据一起发送），而POST请求产生两个TCP数据包（先发送请求头，服务器响应后，再发送数据）。然而，这种说法并不准确。实际上，GET和POST请求的数据包数量取决于具体的实现和网络环境。在某些情况下，POST请求也可能只发送一个数据包，特别是当数据量较小的时候。

1.2.3 请求头

       在网络通信中，浏览器向服务器发送数据通常是通过HTTP请求完成的。这些数据可以包含各种状态信息和标识数据。如果你想要以特定的格式发送这些信息，例如每条信息一行，包含信息名和信息值，你可以使用HTTP请求的POST方法，并在请求体中以键值对的形式发送这些数据。

       注意：请求头的信息，需要使用一个空行结束！

1.2.4 请求体

       请求代理端项服务器端，发送的请求数据!

       典型的就是POST形式发送的表单数据!

       get请求，没有请求主体部分! get数据是在请求行中的url上进行传递的!

示例HTTP请求的格式：

GET /index.html HTTP/1.1\r\n
Host: www.example.com\r\n
User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/96.0.4664.93 Safari/537.36\r\n
Accept: text/html,application/xhtml+xml\r\n
\r\n

1. 请求行：包含了请求方法（GET）、请求的资源路径（/index.html）和HTTP协议的版本（HTTP/1.1）。
   
2. 请求头：包含了一系列的键值对，每个键值对由冒号分隔，例如Host: www.example.com。请求头提供了关于请求的额外信息，例如Host字段指定了请求的目标主机。
   
3. 空行：由一个\r\n组成的空行标志着请求头的结束。
   

1.2.5 响应行

       响应行包括协议版本、状态码和状态消息。

       1. 协议版本：指明服务器所使用的HTTP协议版本。常见的版本有HTTP/1.0和HTTP/1.1。例如，HTTP/1.1。

       2. 状态码：用于表示服务器对请求的处理结果的数字代码。状态码由三位数字组成，每个状态码都有特定的含义。常见的状态码有200、404、500等。例如，200表示成功，404表示未找到请求的资源。

       3. 状态消息：是与状态码对应的简短文本描述，提供对状态码更详细的说明。状态消息不是必需的，但在调试和查看响应时很有用。例如，对于状态码200，状态消息可能是"OK"；对于状态码404，状态消息可能是"Not Found"。

响应行的示例：HTTP/1.1 200 OK

       其中，HTTP/1.1是协议版本，200是状态码，OK是状态消息。

       通过解析响应行的协议版本、状态码和状态消息，客户端可以了解服务器对请求的处理结果，并根据需要进行后续操作。

典型;

500服务器内部错误

404请求的页面没有找到

403没有权限

200请求成功

1.2.5 响应头

       1. Content-Type（内容类型）：该字段指示了响应主体数据的媒体类型。具体的值可以是text/html、application/json、image/jpeg等。例如，Content-Type: text/html表示响应主体的数据格式为HTML文本。

       2. Content-Length（内容长度）：该字段指示了响应主体数据的字节长度。这个信息对于客户端来说是很重要的，因为它可以帮助客户端正确处理响应的数据。例如，Content-Length: 1024表示响应主体数据的长度为1024字节。

       3. Date（日期）：该字段指示了响应生成的日期和时间，使用格林尼治标准时间（GMT）格式。这个信息对于记录和调试响应很有用。例如，Date: Sun, 28 Nov 2021 12:00:00 GMT表示响应生成的时间为2021年11月28日12点。

       这些响应头字段在HTTP响应中提供了额外的元数据信息，使客户端能够更好地理解和处理服务器返回的数据。客户端可以根据Content-Type字段确定如何解析和显示响应主体数据，根据Content-Length字段确定正确的读取长度，根据Date字段了解服务器响应的时间。

1.2.6 响应体

       每个响应行和响应头都以\r\n结尾。注意，响应头之后的空行（\r\n）标志着响应头的结束，之后的内容即为响应主体。

       在浏览器的主体区域显示的数据就是响应主体的内容，它可以根据Content-Type字段的值进行解析和显示。在示例中，响应主体包含了一个简单的HTML页面，浏览器可以解析并渲染该页面。

以下是一个示例HTTP响应的格式：

HTTP/1.1 200 OK\r\n
Date: Sun, 28 Nov 2021 12:00:00 GMT\r\n
Content-Type: text/html\r\n
Content-Length: 1024\r\n
\r\n
<!DOCTYPE html>\r\n
<html>\r\n
<head>\r\n
<title>Example</title>\r\n
</head>\r\n
<body>\r\n
<h1>Hello, World!</h1>\r\n
</body>\r\n
</html>\r\n

1. 状态行：包含了HTTP协议的版本（HTTP/1.1），状态码（200）和状态描述（OK）。
   
2. 响应头：类似于请求头，包含了一系列的键值对，每个键值对由冒号分隔。示例中的响应头包含了Date、Content-Type和Content-Length等字段，用于提供关于响应的额外信息。
   
3. 空行：由一个\r\n组成的空行标志着响应头的结束。
   
4. 响应主体：在空行之后的内容即为响应主体，其中包含了HTML文档的内容。
   

二、HTTPS协议

2.1 简介：

       HTTP协议通过明文传输数据，这意味着数据在客户端和服务器之间传输时没有加密。任何在传输路径上的中间人都可以轻松截取和读取这些数据，由于数据未加密，使用HTTP协议进行敏感信息的传输容易导致数据泄露和安全风险，如密码、信用卡信息等。

       HTTPS在HTTP和TCP之间添加了一层SSL/TLS（Secure Sockets Layer/Transport Layer Security），实现了身份验证和数据加密，SSL/TLS使用数字证书对服务器进行身份验证，确保客户端连接到的是真正的服务器，而不是冒充的中间人，HTTPS通过加密通信通道，显著提高了数据传输的安全性，适用于需要保护敏感信息的应用场景，如银行交易、在线购物、社交媒体等。

2.2 原理：      

1. HTTP的工作原理：

• 客户端（如浏览器）向服务器发送HTTP请求。
• 服务器处理请求并返回HTTP响应。
• 数据在传输过程中不加密，可以被任何中间人读取。

2. HTTPS的工作原理：

• 客户端向服务器发送HTTPS请求。
• 服务器返回其SSL/TLS证书，证书中包含服务器的公钥。
• 客户端验证服务器证书的有效性（通常通过信任的证书颁发机构进行验证）。
• 客户端生成一个对称加密密钥，并使用服务器的公钥对其加密后发送给服务器。
• 服务器使用其私钥解密该对称密钥。
• 之后，客户端和服务器使用对称加密密钥进行加密通信，确保数据安全。

2.3 使用情景

       1. HTTP的使用场景：

               适用于不涉及敏感信息的普通网页浏览，如博客、新闻网站等。

       2. HTTPS的使用场景：

               适用于需要保护用户隐私和敏感数据的应用场景，如电子商务网站、银行和金融服务、社交媒体平台等。

2.4 优缺点

• HTTP优点：

• 速度较快，因为数据不需要加密和解密。
• 实现简单，适用于非敏感数据的传输。

• HTTP缺点：

• 安全性低，容易被攻击和窃取数据。

• HTTPS优点：

• 提供数据加密和服务器身份验证，确保通信安全。
• 保护用户隐私，防止数据泄露。
• 增强用户信任，有助于提升网站信誉和SEO排名。

• HTTPS缺点：

• 加密和解密过程增加了数据传输的开销，可能会影响性能。
• 证书管理需要额外成本和复杂度。

三、密码学基础

3.1 基本概念

1. 明文 (Plaintext)：

       指未经过加密处理的原始数据，能够被直接读取和理解。

2. 密文 (Ciphertext)：

       明文通过加密算法处理后的数据，密文是难以理解的，只有被授权的接收者才能解密并恢复成明文。

3. 密钥 (Key)：

       用于加密和解密数据的参数。密钥的安全性直接影响数据的安全性。

3.2 密钥类型

1. 对称密钥（Symmetric Key）：

       同一密钥用于加密和解密过程。对称密钥加密的特点是速度快，适用于大数据量的加密，但密钥需要安全地共享给双方。

       常见算法：DES、3DES、AES、Blowfish、RC5、IDEA。

2.  非对称密钥（Asymmetric Key）：

       使用一对密钥，即公钥和私钥。公钥用于加密，私钥用于解密。私钥保持秘密，公钥可以公开。

       常见算法：RSA、DSA、ECC。

3.3 对称加密

对称加密（Symmetric Encryption）：

       特点：加密和解密使用相同的密钥，加密过程和算法公开，速度快，适合大数据量加密。

       安全性：密钥的安全分发和保护是对称加密的关键，因为一旦密钥泄露，数据的安全性将受到威胁。

加密过程：

       明文 + 加密算法 + 密钥 => 密文

解密过程：

       密文 + 解密算法 + 密钥 => 明文

3.4 非对称加密

非对称加密（Asymmetric Encryption）：

       特点：加密和解密使用不同的密钥对，公钥加密，私钥解密。由于算法复杂，非对称加密速度较慢，通常用于小数据量的加密或密钥交换。

       安全性：即使公钥公开，私钥未泄露的情况下，数据仍然是安全的。

加密过程：

       明文 + 加密算法 + 公钥 => 密文

解密过程：

       密文 + 解密算法 + 私钥 => 明文

3.5 对称加密示例算法

1. DES（Data Encryption Standard）：

       使用56位密钥，对数据进行64位分组加密。

       现已逐渐被认为不够安全，主要用于历史兼容性。

2. 3DES（Triple DES）：

       通过三次重复应用DES算法，增加安全性。

       使用两个或三个不同的56位密钥，密钥长度可达112或168位。

3. AES（Advanced Encryption Standard）：

       采用128位、192位或256位密钥，对数据进行128位分组加密。

       广泛应用于各种场景，具有较高的安全性和性能。

3.6 非对称加密示例算法

1. RSA（Rivest-Shamir-Adleman）：

       基于大素数因子分解问题的难度。

       常用于数字签名和密钥交换，密钥长度通常为1024位、2048位或更长。

2. ECC（Elliptic Curve Cryptography）：

       基于椭圆曲线数学问题，提供相同安全性的情况下，密钥长度较短，性能更高。

       常用于资源受限的环境，如移动设备和智能卡。

3.7 示例应用场景

       对称加密：用于实际数据的加密传输，如文件加密、磁盘加密。

       非对称加密：用于安全密钥交换和数字签名，如HTTPS协议中的SSL/TLS握手过程。

       通过结合对称加密和非对称加密的优势，可以实现高效且安全的数据保护。例如，常见的做法是使用非对称加密来安全地交换对称密钥，然后使用对称密钥进行大数据量的加密传输。这种方式兼顾了安全性和性能，是许多现代加密系统的基础。