從HTTP/0.9到HTTP/2：一文讀懂HTTP協議的歷史演變和設計思路
來自專欄即時通訊技術分享
34 人贊了文章
本文原作者阮一峰，作者博客：http://ruanyifeng.com。
1、引言
HTTP 協議是最重要的互聯網基礎協議之一，它從最初的僅為瀏覽網頁的目的進化到現在，已經是短連接通信的事實工業標準，最新版本 HTTP/2 更是讓它再次成為技術熱點。
作為即時通訊開發者來說，深刻理解HTTP協議有助於在現今複雜移動網路環境下的優化和最佳實踐的開展，本文將通俗易懂的地介紹 HTTP 協議的歷史演變和設計思路。
學習交流：
- 即時通訊開發交流3群：185926912[推薦]
- 移動端IM開發入門文章：《新手入門一篇就夠：從零開發移動端IM》
（本文同步發佈於：http://www.52im.net/thread-1709-1-1.html）
2、相關文章
《網路編程懶人入門(七)：深入淺出，全面理解HTTP協議》
《現代移動端網路短連接的優化手段總結：請求速度、弱網適應、安全保障》《IM開發基礎知識補課(四)：正確理解HTTP短連接中的Cookie、Session和Token》《IM開發基礎知識補課：正確理解前置HTTP SSO單點登陸介面的原理》《從HTTP到MQTT：一個基於位置服務的APP數據通信實踐概述》《技術掃盲：新一代基於UDP的低延時網路傳輸層協議——QUIC詳解》《讓互聯網更快：新一代QUIC協議在騰訊的技術實踐分享》
3、HTTP/0.9
HTTP 是基於 TCP/IP 協議的應用層協議（詳見《網路編程懶人入門(一)：快速理解網路通信協議（上篇）》、《網路編程懶人入門(二)：快速理解網路通信協議（下篇）》）。它不涉及數據包（packet）傳輸，主要規定了客戶端和伺服器之間的通信格式，默認使用80埠。
最早版本是1991年發布的0.9版。該版本極其簡單，只有一個命令GET：
GET /index.html
上面命令表示，TCP 連接（connection）建立後，客戶端向伺服器請求（request）網頁index.html。
協議規定，伺服器只能回應HTML格式的字元串，不能回應別的格式：
Hello World
伺服器發送完畢，就關閉TCP連接。
4、HTTP/1.0
4.1 簡介
1996年5月，HTTP/1.0 版本發布，內容大大增加（詳見 RFC1945）。
首先，任何格式的內容都可以發送。這使得互聯網不僅可以傳輸文字，還能傳輸圖像、視頻、二進位文件。這為互聯網的大發展奠定了基礎。
其次，除了GET命令，還引入了POST命令和HEAD命令，豐富了瀏覽器與伺服器的互動手段。
再次，HTTP請求和回應的格式也變了。除了數據部分，每次通信都必須包括頭信息（HTTP header），用來描述一些元數據。
其他的新增功能還包括狀態碼（status code）、多字符集支持、多部分發送（multi-part type）、許可權（authorization）、緩存（cache）、內容編碼（content encoding）等。
4.2 請求格式
下面是一個1.0版的HTTP請求的例子：
GET / HTTP/1.0
User-Agent: Mozilla/5.0 (Macintosh; Intel Mac OS X 10_10_5)
Accept: */*
可以看到，這個格式與0.9版有很大變化。
第一行是請求命令，必須在尾部添加協議版本（HTTP/1.0）。後面就是多行頭信息，描述客戶端的情況。
4.3 響應格式（Response）
伺服器的回應如下：
HTTP/1.0 200 OK
Content-Type: text/plain
Content-Length: 137582
Expires: Thu, 05 Dec 1997 16:00:00 GMT
Last-Modified: Wed, 5 August 1996 15:55:28 GMT
Server: Apache 0.84
Hello World
回應的格式是"頭信息 + 一個空行（
） + 數據"。其中，第一行是"協議版本 + 狀態碼（status code） + 狀態描述"。（詳見《網路編程懶人入門(七)：深入淺出，全面理解HTTP協議》）
4.4 Content-Type 欄位
關於字元的編碼，1.0版規定，頭信息必須是 ASCII 碼，後面的數據可以是任何格式。因此，伺服器回應的時候，必須告訴客戶端，數據是什麼格式，這就是Content-Type欄位的作用。
下面是一些常見的Content-Type欄位的值：
text/plain
text/html
text/css
image/jpeg
image/png
image/svg+xml
audio/mp4
video/mp4
application/javascript
application/pdf
application/zip
application/atom+xml
這些數據類型總稱為MIME type，每個值包括一級類型和二級類型，之間用斜杠分隔。
除了預定義的類型，廠商也可以自定義類型，就像下面這樣：
application/vnd.debian.binary-package
上面的類型表明，發送的是Debian系統的二進位數據包。
MIME type還可以在尾部使用分號，添加參數：
Content-Type: text/html; charset=utf-8
上面的類型表明，發送的是網頁，而且編碼是UTF-8。
客戶端請求的時候，可以使用Accept欄位聲明自己可以接受哪些數據格式：
Accept: */*
上面代碼中，客戶端聲明自己可以接受任何格式的數據。
MIME type不僅用在HTTP協議，還可以用在其他地方，比如HTML網頁：
4.5 Content-Encoding 欄位
由於發送的數據可以是任何格式，因此可以把數據壓縮後再發送。
Content-Encoding欄位說明數據的壓縮方法：
Content-Encoding: gzip
Content-Encoding: compress
Content-Encoding: deflate
客戶端在請求時，用Accept-Encoding欄位說明自己可以接受哪些壓縮方法：
Accept-Encoding: gzip, deflate
4.6 缺點
HTTP/1.0 版的主要缺點是，每個TCP連接只能發送一個請求。發送數據完畢，連接就關閉，如果還要請求其他資源，就必須再新建一個連接。
TCP連接的新建成本很高，因為需要客戶端和伺服器三次握手，並且開始時發送速率較慢（slow start）。所以，HTTP 1.0版本的性能比較差。隨著網頁載入的外部資源越來越多，這個問題就愈發突出了。
為了解決這個問題，有些瀏覽器在請求時，用了一個非標準的Connection欄位：
Connection: keep-alive
這個欄位要求伺服器不要關閉TCP連接，以便其他請求復用。
伺服器同樣回應這個欄位：
Connection: keep-alive
一個可以復用的TCP連接就建立了，直到客戶端或伺服器主動關閉連接。但是，這不是標準欄位，不同實現的行為可能不一致，因此不是根本的解決辦法。
5、HTTP/1.1
1997年1月，HTTP/1.1 版本發布，只比 1.0 版本晚了半年。HTTP/1.1進一步完善了 HTTP 協議，一直用到了20年後的今天，直到現在還是最流行的版本。
5.1 持久連接
1.1 版的最大變化，就是引入了持久連接（persistent connection），即TCP連接默認不關閉，可以被多個請求復用，不用聲明Connection: keep-alive。
客戶端和伺服器發現對方一段時間沒有活動，就可以主動關閉連接。
不過，規範的做法是，客戶端在最後一個請求時，發送Connection: close，明確要求伺服器關閉TCP連接：
Connection: close
目前，對於同一個域名，大多數瀏覽器允許同時建立6個持久連接。
5.2 管道機制
1.1 版還引入了管道機制（pipelining），即在同一個TCP連接裡面，客戶端可以同時發送多個請求。這樣就進一步改進了HTTP協議的效率。
舉例來說，客戶端需要請求兩個資源。以前的做法是，在同一個TCP連接裡面，先發送A請求，然後等待伺服器做出回應，收到後再發出B請求。管道機制則是允許瀏覽器同時發出A請求和B請求，但是伺服器還是按照順序，先回應A請求，完成後再回應B請求。
5.3 Content-Length 欄位
一個TCP連接現在可以傳送多個回應，勢必就要有一種機制，區分數據包是屬於哪一個回應的。
這就是Content-length欄位的作用，聲明本次回應的數據長度：
Content-Length: 3495
上面代碼告訴瀏覽器，本次回應的長度是3495個位元組，後面的位元組就屬於下一個回應了。
在1.0版中，Content-Length欄位不是必需的，因為瀏覽器發現伺服器關閉了TCP連接，就表明收到的數據包已經全了。
5.4 分塊傳輸編碼
使用Content-Length欄位的前提條件是，伺服器發送回應之前，必須知道回應的數據長度。
對於一些很耗時的動態操作來說，這意味著，伺服器要等到所有操作完成，才能發送數據，顯然這樣的效率不高。更好的處理方法是，產生一塊數據，就發送一塊，採用"流模式"（stream）取代"緩存模式"（buffer）。
因此，1.1版規定可以不使用Content-Length欄位，而使用"分塊傳輸編碼"（chunked transfer encoding）。
只要請求或回應的頭信息有Transfer-Encoding欄位，就表明回應將由數量未定的數據塊組成：
Transfer-Encoding: chunked
每個非空的數據塊之前，會有一個16進位的數值，表示這個塊的長度。最後是一個大小為0的塊，就表示本次回應的數據發送完了。
下面是一個例子：
HTTP/1.1 200 OK
Content-Type: text/plain
Transfer-Encoding: chunked
25
This is the data in the first chunk
1C
and this is the second one
3
con
8
sequence
0
5.5 其他功能
1.1版還新增了許多動詞方法：PUT、PATCH、HEAD、 OPTIONS、DELETE。
另外，客戶端請求的頭信息新增了Host欄位，用來指定伺服器的域名：
Host: http://example.com
有了Host欄位，就可以將請求發往同一台伺服器上的不同網站，為虛擬主機的興起打下了基礎。
5.6 缺點
雖然1.1版允許復用TCP連接，但是同一個TCP連接裡面，所有的數據通信是按次序進行的。伺服器只有處理完一個回應，才會進行下一個回應。要是前面的回應特別慢，後面就會有許多請求排隊等著。這稱為"隊頭堵塞"（Head-of-line blocking）。
為了避免這個問題，只有兩種方法：一是減少請求數，二是同時多開持久連接。這導致了很多的網頁優化技巧，比如合併腳本和樣式表、將圖片嵌入CSS代碼、域名分片（domain sharding）等等。如果HTTP協議設計得更好一些，這些額外的工作是可以避免的。
有關HTTP/1.1的詳細技術介紹，詳見《網路編程懶人入門(七)：深入淺出，全面理解HTTP協議》。
6、SPDY 協議
2009年，谷歌公開了自行研發的 SPDY 協議，主要解決 HTTP/1.1 效率不高的問題。
這個協議在Chrome瀏覽器上證明可行以後，就被當作 HTTP/2 的基礎，主要特性都在 HTTP/2 之中得到繼承。
7、HTTP/2
2015年，HTTP/2 發布。它不叫 HTTP/2.0，是因為標準委員會不打算再發布子版本了，下一個新版本將是 HTTP/3。
7.1 二進位協議
HTTP/1.1 版的頭信息肯定是文本（ASCII編碼），數據體可以是文本，也可以是二進位。HTTP/2 則是一個徹底的二進位協議，頭信息和數據體都是二進位，並且統稱為"幀"（frame）：頭信息幀和數據幀。
二進位協議的一個好處是，可以定義額外的幀。HTTP/2 定義了近十種幀，為將來的高級應用打好了基礎。如果使用文本實現這種功能，解析數據將會變得非常麻煩，二進位解析則方便得多。
7.2 多工
HTTP/2 復用TCP連接，在一個連接里，客戶端和瀏覽器都可以同時發送多個請求或回應，而且不用按照順序一一對應，這樣就避免了"隊頭堵塞"。
舉例來說，在一個TCP連接裡面，伺服器同時收到了A請求和B請求，於是先回應A請求，結果發現處理過程非常耗時，於是就發送A請求已經處理好的部分， 接著回應B請求，完成後，再發送A請求剩下的部分。
這樣雙向的、實時的通信，就叫做多工（Multiplexing）。
7.3 數據流
因為 HTTP/2 的數據包是不按順序發送的，同一個連接裡面連續的數據包，可能屬於不同的回應。因此，必須要對數據包做標記，指出它屬於哪個回應。
HTTP/2 將每個請求或回應的所有數據包，稱為一個數據流（stream）。每個數據流都有一個獨一無二的編號。數據包發送的時候，都必須標記數據流ID，用來區分它屬於哪個數據流。另外還規定，客戶端發出的數據流，ID一律為奇數，伺服器發出的，ID為偶數。
數據流發送到一半的時候，客戶端和伺服器都可以發送信號（RST_STREAM幀），取消這個數據流。1.1版取消數據流的唯一方法，就是關閉TCP連接。這就是說，HTTP/2 可以取消某一次請求，同時保證TCP連接還打開著，可以被其他請求使用。
客戶端還可以指定數據流的優先順序。優先順序越高，伺服器就會越早回應。
7.4 頭信息壓縮
HTTP 協議不帶有狀態，每次請求都必須附上所有信息。所以，請求的很多欄位都是重複的，比如Cookie和User Agent，一模一樣的內容，每次請求都必須附帶，這會浪費很多帶寬，也影響速度。
HTTP/2 對這一點做了優化，引入了頭信息壓縮機制（header compression）。一方面，頭信息使用gzip或compress壓縮後再發送；另一方面，客戶端和伺服器同時維護一張頭信息表，所有欄位都會存入這個表，生成一個索引號，以後就不發送同樣欄位了，只發送索引號，這樣就提高速度了。
7.5 伺服器推送
HTTP/2 允許伺服器未經請求，主動向客戶端發送資源，這叫做伺服器推送（server push）。
常見場景是客戶端請求一個網頁，這個網頁裡面包含很多靜態資源。正常情況下，客戶端必須收到網頁後，解析HTML源碼，發現有靜態資源，再發出靜態資源請求。其實，伺服器可以預期到客戶端請求網頁後，很可能會再請求靜態資源，所以就主動把這些靜態資源隨著網頁一起發給客戶端了。
附錄：更多網路通信基礎資料
《TCP/IP詳解 - 第11章·UDP：用戶數據報協議》
《TCP/IP詳解 - 第17章·TCP：傳輸控制協議》《TCP/IP詳解 - 第18章·TCP連接的建立與終止》《TCP/IP詳解 - 第21章·TCP的超時與重傳》《技術往事：改變世界的TCP/IP協議（珍貴多圖、手機慎點）》《通俗易懂-深入理解TCP協議（上）：理論基礎》《通俗易懂-深入理解TCP協議（下）：RTT、滑動窗口、擁塞處理》《理論經典：TCP協議的3次握手與4次揮手過程詳解》《理論聯繫實際：Wireshark抓包分析TCP 3次握手、4次揮手過程》《計算機網路通訊協議關係圖（中文珍藏版）》《UDP中一個包的大小最大能多大？》《P2P技術詳解(一)：NAT詳解——詳細原理、P2P簡介》《P2P技術詳解(二)：P2P中的NAT穿越(打洞)方案詳解》《P2P技術詳解(三)：P2P技術之STUN、TURN、ICE詳解》《通俗易懂：快速理解P2P技術中的NAT穿透原理》《高性能網路編程(一)：單台伺服器並發TCP連接數到底可以有多少》《高性能網路編程(二)：上一個10年，著名的C10K並發連接問題》《高性能網路編程(三)：下一個10年，是時候考慮C10M並發問題了》《高性能網路編程(四)：從C10K到C10M高性能網路應用的理論探索》《不為人知的網路編程(一)：淺析TCP協議中的疑難雜症(上篇)》《不為人知的網路編程(二)：淺析TCP協議中的疑難雜症(下篇)》《不為人知的網路編程(三)：關閉TCP連接時為什麼會TIME_WAIT、CLOSE_WAIT》《不為人知的網路編程(四)：深入研究分析TCP的異常關閉》《不為人知的網路編程(五)：UDP的連接性和負載均衡》《不為人知的網路編程(六)：深入地理解UDP協議並用好它》《不為人知的網路編程(七)：如何讓不可靠的UDP變的可靠？》《網路編程懶人入門(一)：快速理解網路通信協議（上篇）》《網路編程懶人入門(二)：快速理解網路通信協議（下篇）》《網路編程懶人入門(三)：快速理解TCP協議一篇就夠》《網路編程懶人入門(四)：快速理解TCP和UDP的差異》《網路編程懶人入門(五)：快速理解為什麼說UDP有時比TCP更有優勢》《網路編程懶人入門(六)：史上最通俗的集線器、交換機、路由器功能原理入門》《網路編程懶人入門(七)：深入淺出，全面理解HTTP協議》《技術掃盲：新一代基於UDP的低延時網路傳輸層協議——QUIC詳解》《讓互聯網更快：新一代QUIC協議在騰訊的技術實踐分享》《現代移動端網路短連接的優化手段總結：請求速度、弱網適應、安全保障》《聊聊iOS中網路編程長連接的那些事》《移動端IM開發者必讀(一)：通俗易懂，理解移動網路的「弱」和「慢」》《移動端IM開發者必讀(二)：史上最全移動弱網路優化方法總結》《IPv6技術詳解：基本概念、應用現狀、技術實踐（上篇）》《IPv6技術詳解：基本概念、應用現狀、技術實踐（下篇）》《從HTTP/0.9到HTTP/2：一文讀懂HTTP協議的歷史演變和設計思路》>> 更多同類文章 ……
（本文同步發佈於：http://www.52im.net/thread-1709-1-1.html）
推薦閱讀：
※TCP_NODELAY 與演算法
※一些關於Http Cache的東西
※解剖一個 HTTP 事務
※wireshark如何按照域名過濾?
※從零實現一個http伺服器