你知道 HTTP 是如何使用 TCP 連接的嗎？今天我就來(lái)告訴你
1、HTTP 是如何使用 TCP 連接的;
世界上幾乎所有的 HTTP 通信都是由 TCP/IP 承載的，TCP/IP 是全球計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都 在使用的一種常用的分組交換網(wǎng)絡(luò)分層協(xié)議集。客戶(hù)端應(yīng)用程序可以打開(kāi)一條 TCP/IP 連 接，連接到可能運(yùn)行在世界任何地方的服務(wù)器應(yīng)用程序。一旦連接建立起來(lái)了，在客戶(hù)端 和服務(wù)器的計(jì)算機(jī)之間交換的報(bào)文就永遠(yuǎn)不會(huì)丟失、受損或失序。
盡管報(bào)文不會(huì)丟失或受損，但如果計(jì)算機(jī)或網(wǎng)絡(luò)崩潰了，客戶(hù)端和服務(wù)器之間的通信仍然會(huì)被斷開(kāi)。在這種情況下， 會(huì)通知客戶(hù)端和服務(wù)器通信中斷了。
當(dāng)瀏覽器收到一個(gè) URL 的時(shí)候，會(huì)執(zhí)行幾個(gè)相對(duì)應(yīng)的步驟，如下
- 瀏覽器解析出主機(jī)名;
- 瀏覽器查詢(xún)主機(jī)名的 IP 地址;
- 瀏覽器獲得端口號(hào);
- 瀏覽器發(fā)起對(duì)該 IP 地址對(duì)應(yīng)端口號(hào)的鏈接;
- 瀏覽器向服務(wù)器發(fā)送一條 HTTP GET報(bào)文;
- 瀏覽器從服務(wù)器讀取 HTTP 相應(yīng)報(bào)文;
- 瀏覽器關(guān)閉連接;
1.1、TCP 連接的基本知識(shí)
TCP 是可靠的數(shù)據(jù)管道
TCP 會(huì)按序、無(wú)差錯(cuò)地承載 HTTP 數(shù)據(jù)，TCP 為 HTTP 提供了一條可靠的比特傳輸管道。從 TCP 連接一端填入的字節(jié)會(huì)從另一端 以原有的順序、正確地傳送出來(lái)。
TCP 流是分段的、由 IP 分組傳送
TCP 的數(shù)據(jù)是通過(guò)名為 IP 分組(或 IP 數(shù)據(jù)報(bào))的小數(shù)據(jù)塊來(lái)發(fā)送的。
這樣的話(huà)，如圖 HTTP 就是 “HTTP over TCP over IP” 這個(gè)“協(xié)議棧”中的最頂層了。其安全版本 HTTPS 就是在 HTTP 和 TCP 之間插入了一個(gè)(稱(chēng)為 TLS 或 SSL 的)密碼加密層(安全層)，就是在圖中的右半部分。
HTTP 要傳送一條報(bào)文時(shí)，會(huì)以流的形式將報(bào)文數(shù)據(jù)的內(nèi)容通過(guò)一條打開(kāi)的 TCP 連接按 序傳輸。TCP 收到數(shù)據(jù)流之后，會(huì)將數(shù)據(jù)流砍成被稱(chēng)作段的小數(shù)據(jù)塊，并將段封裝在 IP 分組中，通過(guò)因特網(wǎng)進(jìn)行傳輸，如下圖中大家看到的內(nèi)容：
每個(gè) TCP 段都是由 IP 分組承載，從一個(gè) IP 地址發(fā)送到另一個(gè) IP 地址的。
而每個(gè) IP 分組中都包括：
- 一個(gè) IP 分組首部(通常為 20 字節(jié));
- 一個(gè) TCP 段首部(通常為 20 字節(jié));
- 一個(gè) TCP 數(shù)據(jù)塊(0 個(gè)或多個(gè)字節(jié))。
IP 首部包含了源和目的 IP 地址、長(zhǎng)度和其他一些標(biāo)記。TCP 段的首部包含了 TCP 端口 號(hào)、TCP 控制標(biāo)記，以及用于數(shù)據(jù)排序和完整性檢查的一些數(shù)字值。
保持 TCP 連接的持續(xù)不間斷地運(yùn)行
在任意時(shí)刻計(jì)算機(jī)都可以有幾條 TCP 連接處于打開(kāi)狀態(tài)。TCP 是通過(guò)端口號(hào)來(lái)保持所有 這些連接的正確運(yùn)行的。端口號(hào)和雇員使用的電話(huà)分機(jī)號(hào)很類(lèi)似。
這就和我之前舉得例子是一樣的，公司的總機(jī)和你自己的座機(jī)一樣，公司的總機(jī)號(hào)碼能將你接到前臺(tái)，而分機(jī)號(hào) 可以將你接到正確的雇員位置一樣，IP 地址可以將你連接到正確的計(jì)算機(jī)，而端口號(hào)則 可以將你連接到正確的應(yīng)用程序上去。TCP 連接是通過(guò) 4 個(gè)值來(lái)識(shí)別的：
源IP 地址、源端口號(hào)、目的IP 地址、目的端口號(hào)
這 4 個(gè)值一起唯一地定義了一條連接。兩條不同的 TCP 連接不能擁有 4 個(gè)完全相同的地 址組件值(但不同連接的部分組件可以擁有相同的值)。
這里需要我們注意的是，有些連接共享了相同的目的端口號(hào)，有些連接使用了相同的源 IP 地址，有些使用了相同的目的 IP 地址，但沒(méi)有兩個(gè)不同連接所有的 4 個(gè)值都一樣。
TCP 套接字
操作系統(tǒng)提供了一些操縱其 TCP 連接的工具。為了更具體地說(shuō)明問(wèn)題，我們來(lái)看一個(gè) TCP 編程接口，這些套接字我就不一一介紹了，我給大家一個(gè)表格，大家可以理解一下
套接字API調(diào)用描 述s = socket()創(chuàng)建一個(gè)新的、未命名、未關(guān)聯(lián)的套接字bind(s,)向套接字賦一個(gè)本地端口號(hào)和接口connect(s,)創(chuàng)建一條連接本地套接字與遠(yuǎn)程主機(jī)及端口的連接listen(s,...)標(biāo)識(shí)一個(gè)本地套接字，使其可以合法接受連接s2 = accept(s)等待某人建立一條到本地端口的連接
套接字 API 允許用戶(hù)創(chuàng)建 TCP 的端點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將這些端點(diǎn)與遠(yuǎn)程服務(wù)器的 TCP 端點(diǎn)進(jìn) 行連接，并對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行讀寫(xiě)。TCP API 隱藏了所有底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的握手細(xì)節(jié)，以及 TCP 數(shù)據(jù)流與 IP 分組之間的分段和重裝細(xì)節(jié)。
TCP 客戶(hù)端和服務(wù)器是如何通過(guò) TCP 套接字接口進(jìn)行通信的
上圖中說(shuō)明了可以怎樣通過(guò)套接字 API 來(lái)凸顯客戶(hù)端和服務(wù)器在實(shí)現(xiàn) HTTP 事務(wù)時(shí)所應(yīng)執(zhí)行的步驟。
2、TCP 連接的握手
TCP 連接握手需要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟。如圖所示：
請(qǐng)求新的 TCP 連接時(shí)，客戶(hù)端要向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)小的 TCP 分組(通常是 40 ～ 60 個(gè)字節(jié))。這個(gè)分組中設(shè)置了一個(gè)特殊的 SYN 標(biāo)記，說(shuō)明這是一個(gè)連接請(qǐng)求。
如果服務(wù)器接受了連接，就會(huì)對(duì)一些連接參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并向客戶(hù)端回送一個(gè) TCP 分組，這個(gè)分組中的 SYN 和 ACK 標(biāo)記都被置位，說(shuō)明連接請(qǐng)求已被接受。
最后，客戶(hù)端向服務(wù)器回送一條確認(rèn)信息，通知它連接已成功建立
我們永遠(yuǎn)不會(huì)看到這些分組——這些分組都由 TCP/IP 軟件管理，對(duì)其是不可見(jiàn) 的。HTTP 程序員看到的只是創(chuàng)建 TCP 連接時(shí)存在的時(shí)延。
在這里我們需要注意的就是 TCP 連接的握手時(shí)延，通常 HTTP 事務(wù)都不會(huì)交換太多數(shù)據(jù)，此時(shí)，SYN/SYN+ACK 握手(參見(jiàn)圖中的 a 段 和圖中的 b 段)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)可測(cè)量的時(shí)延。TCP 連接的 ACK 分組(參見(jiàn)圖中的 c 段)通常都足夠大，可以承載整個(gè) HTTP 請(qǐng)求報(bào)文，而且很多 HTTP 服務(wù)器響應(yīng)報(bào)文都可 以放入一個(gè) IP 分組 中去(比如，響應(yīng)是包含了裝飾性圖片的小型 HTML 文件，或者是對(duì)瀏覽器高速緩存請(qǐng)求產(chǎn)生的 304 Not Modified 響應(yīng))。
TCP 慢啟動(dòng)
TCP 數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅苓€取決于 TCP 連接的使用期(age)。TCP 連接會(huì)隨著時(shí)間進(jìn)行自 我“調(diào)諧”，起初會(huì)限制連接的最大速度，如果數(shù)據(jù)成功傳輸，會(huì)隨著時(shí)間的推移提高傳輸 的速度。這種調(diào)諧被稱(chēng)為 TCP 慢啟動(dòng)(slow start)，用于防止因特網(wǎng)的突然過(guò)載和擁 塞。
TCP 慢啟動(dòng)限制了一個(gè) TCP 端點(diǎn)在任意時(shí)刻可以傳輸?shù)姆纸M數(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，每成功接收 一個(gè)分組，發(fā)送端就有了發(fā)送另外兩個(gè)分組的權(quán)限。如果某個(gè) HTTP 事務(wù)有大量數(shù)據(jù)要發(fā) 送，是不能一次將所有分組都發(fā)送出去的。必須發(fā)送一個(gè)分組，等待確認(rèn);然后可以發(fā)送 兩個(gè)分組，每個(gè)分組都必須被確認(rèn)，這樣就可以發(fā)送四個(gè)分組了，以此類(lèi)推。這種方式被 稱(chēng)為“打開(kāi)擁塞窗口”。
由于存在這種擁塞控制特性，所以新連接的傳輸速度會(huì)比已經(jīng)交換過(guò)一定量數(shù)據(jù)的、“已 調(diào)諧”連接慢一些。由于已調(diào)諧連接要更快一些，所以 HTTP 中有一些可以重用現(xiàn)存連接 的工具。
3、HTTP 連接的處理
前面我們說(shuō)了 TCP 連接，我們重新來(lái)分析一下 HTTP ，之前我也說(shuō)過(guò)在 HTTP 1.0的時(shí)候和1.1之后，有 Keep-Alive ，關(guān)于 Keep-Alive 不懂的請(qǐng)翻看前面的公眾號(hào)的文章內(nèi)容，接下來(lái)我分幾個(gè)內(nèi)容給大家講述 HTTP 對(duì)連接上的處理。
并行連接：通過(guò)多條 TCP 連接發(fā)起并發(fā)的 HTTP 請(qǐng)求。
持久連接：重用 TCP 連接，以消除連接及關(guān)閉時(shí)延。
管道化連接：通過(guò)共享的 TCP 連接發(fā)起并發(fā)的 HTTP 請(qǐng)求。
我們來(lái)看一下串行：
每個(gè)事務(wù)都需要(串行地建立)一條 新的連接，那么連接時(shí)延和慢啟動(dòng)時(shí)延就會(huì)疊加起來(lái)
并行連接就是說(shuō) HTTP 允許客戶(hù)端打開(kāi)多條連接，并行的去執(zhí)行多個(gè) HTTP 的事務(wù)，就會(huì)出現(xiàn)多條線(xiàn)路平行的情況。
其實(shí)并行連接并沒(méi)有說(shuō)是頁(yè)面的傳輸速度，是因?yàn)槎鄠€(gè)對(duì)象同時(shí)在進(jìn)展，所以，他的速度要比疊加起來(lái)，讓你在感覺(jué)上快不少。
持久連接
HTTP 1.1 允許 HTTP 設(shè)備在事務(wù)處理結(jié)束之后 將 TCP 連接保持在打開(kāi)狀態(tài)，以便為未來(lái)的 HTTP 請(qǐng)求重用現(xiàn)存的連接。在事務(wù)處理結(jié)束之后仍然保持在打開(kāi)狀態(tài)的 TCP 連接被稱(chēng)為持久連接。非持久連接會(huì)在每個(gè)事務(wù)結(jié)束之后關(guān)閉。持久連接會(huì)在不同事務(wù)之間保持打開(kāi)狀態(tài)，直到客戶(hù)端或服務(wù)器決定將其關(guān)閉為止。
管道化連接(也有人稱(chēng)之為管線(xiàn)化)
HTTP/1.1 允許在持久連接上可選地使用請(qǐng)求管道。這是相對(duì)于 keep-alive 連接的又一性能優(yōu)化。在響應(yīng)到達(dá)之前，可以將多條請(qǐng)求放入隊(duì)列。當(dāng)?shù)谝粭l請(qǐng)求通過(guò)網(wǎng)絡(luò)流向地球另一端的服務(wù)器時(shí)，第二條和第三條請(qǐng)求也可以開(kāi)始發(fā)送了。在高時(shí)延網(wǎng)絡(luò)條件下，這樣做可以降低網(wǎng)絡(luò)的環(huán)回時(shí)間，提高性能。
其實(shí)管道化說(shuō)白了就是 傳送過(guò)程中不需先等待服務(wù)端的回應(yīng)，然后又發(fā)了幾條，瀏覽器將 HTTP 要求大批提交可大幅縮短頁(yè)面的加載時(shí)間，特別是在傳輸延遲(lag/latency)較高的情況下(如衛(wèi)星連接)。此技術(shù)之關(guān)鍵在于多個(gè) HTTP 的要求消息可以同時(shí)塞入一個(gè) TCP 分組中，所以只提交一個(gè)分組即可同時(shí)發(fā)出多個(gè)要求，借此可減少網(wǎng)絡(luò)上多余的分組并降低線(xiàn)路負(fù)載。`
