HTTP与HTTPS协议入门

本文翻译自我的英文博客，最新修订内容可随时参考：HTTP与HTTPS协议入门

HTTP协议是互联网的基石，HTTPS则是其安全版本。HTTP基于TCP/IP协议，属于应用层协议，不涉及数据包传输细节，主要规定客户端与服务器的通信格式，默认端口为80。

HTTP/0.9（1991年）

• 单一功能：仅支持GET方法，建立TCP连接后，客户端发送GET请求，服务器返回HTML资源后立即关闭连接。
• 局限性：不支持其他方法（如POST）、无请求头/响应头，仅能传输纯文本HTML。

HTTP/1.0（1996年）

核心改进

• 协议标准化：引入请求头和响应头，定义了通信格式。
• 方法扩展：新增POST（提交数据）、HEAD（获取头部信息）等方法。
• 状态码体系：引入1xx（信息性）、2xx（成功）、3xx（重定向）、4xx（客户端错误）、5xx（服务器错误）等状态码。
• 头部字段：支持Content-Type（指定内容类型）、Content-Encoding（压缩格式）、Cache-Control（缓存控制）等字段。

缺陷

• 非持久连接：每个TCP连接仅能处理一次请求，多次请求需反复建立连接，效率低下。

HTTP/1.1（1997年）

关键特性

1. 持久连接（Persistent Connection）

   • 允许同一TCP连接处理多个请求，默认不关闭连接（可通过Connection: close主动关闭）。
   • 单域名最多建立6个连接，空闲超时后自动断开。

2. 管道化（Pipelining）

   • 客户端可在等待前一个响应时发送多个请求（串行队列），通过Content-Length标识请求体长度。
   • 服务器需按请求顺序响应，引入Transfer-Encoding: chunked分块传输，支持流式响应。
     

3. 多域名支持与方法扩展

   • Host头部区分同一IP上的不同域名（如虚拟主机）。
   • 新增PUT（上传资源）、DELETE（删除资源）、OPTIONS（查询支持的方法）等方法。

缺陷：队头阻塞（Head-of-Line Blocking）

• 同一连接中，前一个请求未响应会阻塞后续请求，即使响应数据已就绪也无法提前处理。
  

HTTP/2（2015年）

二进制协议与帧结构

• 采用二进制格式传输数据，将数据分割为帧（Frame），如请求帧、响应帧、重置帧等。
• 每个帧包含流标识符（Stream ID），客户端流ID为奇数，服务器流ID为偶数，支持多路复用（同一连接并发处理多个请求）。

核心特性

1. 多路复用（Multiplexing）

   • 客户端可在同一TCP连接中同时发送多个请求，服务器可乱序响应，彻底解决队头阻塞。

2. 头部压缩（HPACK算法）

   • 通过建立头部表（Header Table）缓存重复字段，后续请求只需发送索引值，减少头部传输开销。

3. 服务器推送（Server Push）

   • 服务器可主动推送客户端可能需要的资源（如CSS、JS），提前缓存至客户端。
     

4. 服务器发送事件（SSE）

   • 支持服务器主动向客户端推送数据（如实时通知），基于单向长连接，无需客户端频繁请求。

缺陷

• TCP层队头阻塞：若TCP数据包丢失，整个连接的所有流均需等待重传，影响并发性能。
  
• 服务器推送局限性：无法直接推送动态消息，需结合SSE实现实时通信。

HTTP/3（2021年）

基于UDP的QUIC协议

• 放弃TCP，改用UDP（用户数据报协议），通过QUIC（快速UDP互联网连接）实现可靠性：
  • 多路复用：每个流独立传输，单个流丢包不影响其他流。
  • 连接迁移：使用连接ID标识会话，IP或端口变更时无需重新握手。
    

优势

• 减少TCP三次握手和TLS握手延迟，首次连接耗时更低。
• 避免TCP层队头阻塞，提升弱网络（如移动网络）下的性能。

HTTPS：安全的HTTP

HTTPS通过SSL/TLS协议解决HTTP的三大风险（窃听、篡改、伪装），核心流程如下：

TLS握手过程（明文传输）

1. 客户端请求（ClientHello）

   • 发送支持的协议版本（如TLS 1.3）、随机数（Client Random）、加密算法列表等。

2. 服务器响应（ServerHello）

   • 确认协议版本、加密算法，返回服务器证书（含公钥）及随机数（Server Random）。
   • 若需要客户端认证（如银行系统），会要求提供客户端证书。

3. 客户端验证与密钥生成

   • 验证服务器证书有效性（CA签名、域名匹配、有效期）。
   • 生成预主密钥（Pre-master Secret），用服务器公钥加密后发送。
   • 结合三个随机数（Client Random、Server Random、Pre-master Secret）生成会话密钥（Session Key），用于后续对称加密。

4. 服务器解密与会话建立

   • 用私钥解密预主密钥，生成会话密钥。
   • 双方切换至加密通信，后续数据通过对称加密传输。
     

性能优化

• 会话复用：

  • Session ID：服务器内存中存储会话密钥，客户端重连时携带ID恢复会话（需单服务器部署）。
  • Session Ticket：服务器颁发加密票据，客户端重连时直接解密恢复密钥（支持分布式部署）。
    

• 无密钥加密（Keyless SSL）：

  • 服务器私钥仅用于解密预主密钥，其他流程由CDN等中间层处理，减少私钥暴露风险。
    

SSL与TLS的区别

• SSL（安全套接层）：早期协议，因存在安全漏洞已被弃用（如SSL 3.0的POODLE攻击）。
• TLS（传输层安全）：SSL的继任者，当前主流版本为TLS 1.3，提供更强的加密算法和安全性。
• 术语混淆：习惯上仍称TLS证书为“SSL证书”，但实际应用中仅使用TLS协议。

总结：协议演进对比

如需深入调试HTTPS配置或优化网站性能，可参考博客中的完整示例：HTTP与HTTPS协议入门。