基于HTTP的功能追加协议

虽然HTTP协议即简单又简捷,但随着时代的发展,其功能使用上捉襟见肘的疲态已经凸显。本篇主要讲解基于HTTP新增的功能的协议。

9.1  基于HTTP的协议

在建立HTTP标准规范时,制定者主要想把HTTP当作传输HTML文档的协议。随着时代的发展,Web的用途更具多样性,比如演化成在线购物、SNS、企业或者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。及时这些功能已经满足需求,在性能上却未必最优,这是因为HTTP协议上的限制以及自身能有限。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功能。

9.2  消除HTTP瓶颈的SPDY

Google在2010年发布了SPDY(取自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.chromiunm.org/spdy/

9.2.1 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的内容,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的界面上。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HTTP标准就会成为瓶颈：

·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以外的指令。

·请求/响应首部未经压缩就发送。首部信息越多延迟越大

·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。

Ajax的解决方法

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,响应中传输的数据了会因此而减少,这一点优点显而易见。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,就能从而加载完毕的Web页面上发起请求,只更新局部页面。而利用Ajax实现地从服务器获取内容,有可能会导致大量请求产生。另外Ajax仍未解决HTTP协议本身存在的问题。

Comet的解决方法

一旦服务器端内容有更新了,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。

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。为了进行根本性的改善,需要有一些协议层面上的改动。处理持续开发状态中的SPDY协议,正是为了在协议级别消除HTTP所遭遇的瓶颈。

9.2.2 SPDY的设计与功能

SPDY没有完全改写HTTP协议,而是在TCP/IP的应用层与运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。

使用SPDY后,HTTP协议额外获得以下功能。

·多路复用流

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,还可以请求逐个分配优先顺序。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,通信产生的数据包流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。由于在客户端发现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。

9.2.3 SPDY消除Web瓶颈了吗

希望使用SPDY时,Web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做出了响应的调整。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Web网站却进展不佳。因为当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,改善效果就会受到限制。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由HTTP瓶颈所导致。对Web网站本身的速度提升,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。

9.3  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网络技术正是为解决这些问题而实现的一套新协议及API。当时筹划将WebSocket作为HTML5标准的一部分,而现在他却逐渐变成了独立的协议标准。WebSocket通信协议在2011年12月11日,被RFC-6455-The WebSocket Protocol定为标准。

9.3.1 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,WebSocket API由W3C定为标准。仍在开发中的WebSocket技术是为了解决Ajax和Comet里XMLHttpRequest附带的缺陷所引起的问题。

9.3.2  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请求功能。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。为了实现WebSocket通信,在HTTP连接建立后,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字段内记录着握手记录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。

    GET   /chat    HTTP/1.1Host: server.example.comUpgrade:WebSocketConnection:UpgradeSec-WebSocket-Key: dGh1IHNhbXBsZSBub25jZQ==Origin: Sec-WebSocket-Protocol :chat ，superchatSec-WebSocket-Version:13

• 握手·响应

对于之前的请求,返回状态码101 Switching Protocol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,通信时不在使用HTTP的数据帧,而采用WebSocket独立的数据帧。

    HTTP/1.1   101 Switching ProtocolsUpgrade :websocketconnection:UpgradeSec-WebSocket-Accept：s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbJxOo=Sec-WebSocket-Protocol：chat

• WebSocket  API 

JavaScript可调用"The WebSocket API"(http://www.w3.org/TR/websocket/,由W3C标准制订)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 。

    var socket = new WebSocket（‘ws://game.example.com:12010/updates’）;socket.onopen = funtion (){setIntervar（function(){if (socket.bufferedAmount == 0)socket.send（getUpdateData()）;}, 50）;};

9.4  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之后在未进行过改订。SPDY和WebSocket登技术纷纷出现,很难断言HTTP/1.1仍是适用于当下的Web协议。负责互联网技术的IETF(Internet Engineering Task Force，互联网工程任务组)创立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,现在我们以下面的这些协议为基础,探讨一下他们的实现方法。

·SPDY

·HTTP Speed +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主要在移动端通信时改善HTTP性能的标准。

HTTP/2.0的7项技术及讨论

HTTP围绕着主要的7项技术进行讨论,现阶段(2012年8月13日)，大都倾向于采用以下协议的技术。但是,讨论仍在持续,所以不能排除会发生重大改变的可能性。

表9-1 ：

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

9.5  Web服务器管理文件的WebDAV

WebDAV(Web-based 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文件系统。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,他还具备文件创建管理者管理、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。使用HTTP/1.1的PUT方法和DELETE方法,就可以对Web服务器上的文件进行创建和删除操作。可是出于安全性及便捷性等考虑,一般不使用。

9.5.1 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。如下图

集合(Collection)：是一种统一管理多个资源的概念。以集合为单位进行各种操作。也可实现类似集合的集合这样的叠加。

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。

9.5.2 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以及扩展了状态码。

表9-2 追加的方法：

PROPFIND	获取属性
PROOPPATCH	修改属性
MKDOL	创建集合
MOVE	移动资源
LOCK	资源加锁
UNLOCK	资源解锁

表9-3 扩展的状态码

102 Processing	可正常处理请求,但目前处理中状态
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)

    PROPFIND    /file    HTTP/1.1Host    ：Content-Type :application/xml;charset="utf-8"Content-Length :219<?xml version="1.0" encoding="utf-8" ?><D:propfind xmlns:D="DAV:"><D:prop xmlns:R="<R:bigbox/><R:author/><R:DingALing/><R:Random/></D:prop> </D:propfind>

• WebDAV 的响应实例(下面是针对之前PROPFIND方法的响应)

    HTTP/1.1   207 Multi-StatusContent-Type :application/xml;charset="utf-8"Content-Length :831<?xml version="1.0" encoding="utf-8" ?><D:multistatus xmlns:D="DAV"><D:response xmlns:R="<D:href>http://www.example.com/file </D:href><D:propstat><D:prop><R:bigbox> <R:BoxType>Box Type A</R:BoxType><

PS:为何HTTP协议受众如此广泛

本篇讲解了几个与HTTP相关联的协议使用案例。为什么HTTP协议受众能够如此广泛？过去,新编写接入互联网的系统或软件时,还需要同时编写实现与必要功能对应的新协议。但最近,使用HTTP的系统和软件占了绝大多数。这有着诸多的原因,其中与企业或组织的防火墙设定有着莫大的关系。防火墙的基本功能就是禁止非指定的协议和端口号的数据包通过，因此如果使用新协议或端口号则必须修改防火墙设置。

互联网上,使用率最高的当属Web。不管是否具备访问FTP和SSH的权限,一般公司都会开放对Web的访问。Web是基于HTTP协议运作的,因此在构建Web服务器或访问Web站点是。需要事先设置防火墙HTTP(80/tcp)和HTTPS(443/tcp)的权限。许多公司或组织已设定权限将HTTP作为通信环境,因此无须再修改防火墙的设定。可见HTTP具有导入简单这一大优势。而这也是基于HTTP服务或内容不断增加的原因之一。还有一些其它原因,比如，作为HTTP客户端的浏览器已相当普遍,HTTP服务器的数量已颇具规模,HTTP本身就是优异的应用等。