从性能视角看HTTP协议的演进

HTTP 是什么

HTTP（HyperText Transfer Protocol，超文本传输协议）是一种基于请求-响应模型的应用层协议，用于在 Web 浏览器与 Web 服务器之间传输超文本（如 HTML）。作为互联网的基础协议之一，它定义了客户端与服务器之间的通信规则，使用户能够访问和浏览网页、图片、视频等各类网络资源。

GET /zh-CN/docs/Glossary/CORS-safelisted_request_header HTTP/1.1
Host: developer.mozilla.org
User-Agent: Mozilla/5.0 (Macintosh; Intel Mac OS X 10.9; rv:50.0) Gecko/20100101 Firefox/50.0
Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,*/*;q=0.8
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9
Accept-Encoding: gzip, deflate, br
Referer: https://developer.mozilla.org/zh-CN/docs/Glossary/CORS-safelisted_request_header

HTTP/1.1 200 OK
Connection: Keep-Alive
Content-Encoding: gzip
Content-Type: text/html; charset=utf-8
Date: Wed, 20 Jul 2016 10:55:30 GMT
Etag: "547fa7e369ef56031dd3bff2ace9fc0832eb251a"
Keep-Alive: timeout=5, max=1000
Last-Modified: Tue, 19 Jul 2016 00:59:33 GMT
Server: Apache
Transfer-Encoding: chunked
Vary: Cookie, Accept-Encoding

(content)

HTTP 的发展历程

HTTP/0.9：1991 年
HTTP/1.0：1996 年
HTTP/1.1：1997 年
HTTP/2：2015 年
HTTP/3：2022 年

HTTP/1

HTTP 协议基于 TCP 协议。在早期版本中，每次请求都需要建立新的 TCP 连接，开销较大。为提升性能，HTTP/1.1 引入了以下机制：

Keep-Alive：持久连接，复用同一 TCP 连接处理多个请求
Pipeline：管道化，允许在收到响应前发送多个请求
Chunked：分块传输编码，支持流式传输响应体

域名分片

为提升 Web 页面加载性能，浏览器通常允许为每个域名建立最多 6 个 TCP 连接。为突破这一限制，开发人员会将页面中的资源分散到多个域名下，从而获得更多并发连接。

缓存

HTTP 缓存控制是 Web 性能优化的重要环节。通过合理的缓存策略，可以显著减少网络请求次数、降低服务器负载、提高页面加载速度。缓存行为主要由 HTTP 头部字段控制，用于定义缓存的有效期和验证机制。

常见的缓存相关 HTTP 头部字段包括：

Cache-Control：定义缓存策略和有效期，提供多种指令以灵活控制缓存行为
Expires：指定资源的过期时间，已被 Cache-Control: max-age 取代
ETag：唯一标识资源版本，用于验证缓存副本的新鲜度
Last-Modified：标识资源的最后修改时间，用于验证缓存副本的新鲜度
Pragma：主要用于向后兼容的缓存控制
Age：指示响应在缓存中存储的时间，帮助客户端了解响应的新鲜度

Cache-Control

Cache-Control 是 HTTP/1.1 引入的最重要的缓存控制头部字段，其值为指令集合，用于控制请求和响应的缓存机制。常见指令包括：

public：响应可被任何缓存（包括客户端和代理服务器）缓存
private：响应仅供单个用户使用，不允许共享缓存
no-cache：强制每次请求与服务器验证，即使缓存副本看似最新
no-store：禁止缓存任何响应或请求
max-age=[秒数]：指定响应被认为新鲜的最大时间（秒），在此时间内可直接使用缓存，无需再次验证
s-maxage=[秒数]：与 max-age 类似，但仅适用于共享缓存（如 CDN）
must-revalidate：缓存过期后必须与服务器验证新鲜度，不能使用陈旧副本
proxy-revalidate：类似 must-revalidate，但仅适用于代理缓存
immutable：表示资源不会变化，缓存可长期使用该响应副本

Expires

Expires 是 HTTP/1.0 引入的头部字段，用于指定资源的过期时间，其值为 GMT 格式的绝对时间戳。在该时间点之后，缓存副本被视为陈旧。示例：

Expires: Wed, 21 Oct 2023 07:28:00 GMT

在 HTTP/1.1 中，Expires 已被 Cache-Control: max-age 取代，但仍被许多旧系统使用。

ETag

ETag（实体标签）是服务器生成并发送给客户端的唯一标识资源版本的字符串。客户端在后续请求中可通过 If-None-Match 头部携带该值，服务器据此判断资源是否已修改。示例：

ETag: "5d8c72a5edda8a:0"

服务器响应规则：

若资源未修改，返回 304 Not Modified，客户端使用缓存副本
若资源已修改，返回新资源及新的 ETag 值

Last-Modified

Last-Modified 表示资源的最后修改时间。客户端可在后续请求中通过 If-Modified-Since 头部携带该时间，服务器据此判断资源是否已修改。示例：

Last-Modified: Wed, 21 Oct 2023 07:28:00 GMT

服务器响应规则：

若资源未修改，返回 304 Not Modified，客户端使用缓存副本
若资源已修改，返回新资源及新的 Last-Modified 时间

Pragma

Pragma 是 HTTP/1.0 中的缓存控制头部字段，主要用于向后兼容。常见值为 no-cache，表示客户端或中间缓存不得缓存响应：

Pragma: no-cache

在 HTTP/1.1 中，Pragma 常与 Cache-Control 配合使用，以确保兼容性。

Age

Age 头部由缓存服务器添加，表示响应已在缓存中存储的时长（秒），帮助客户端了解响应的实际新鲜度。示例：

Age: 60

表示该响应已在缓存中存在 60 秒。

压缩

减少传输内容体积能有效提升传输性能。压缩机制涉及两个主要头部：

Accept-Encoding：表示客户端支持的压缩算法
Content-Encoding：表示响应内容采用的压缩算法

常见压缩算法包括：

gzip
deflate
br（Brotli）
zstd

其他优化手段

除上述机制外，常见的性能优化手段还包括：

资源优化：雪碧图、小图内联为 Base64、IconFont、资源合并
预加载：preload、preconnect 等预加载与预连接机制
CDN：通过内容分发网络就近分发静态资源，降低延迟

HTTP/2

HTTP/1.1 的队头阻塞、冗长的头部信息以及单一连接的限制，已难以满足现代 Web 应用对高性能和低延迟的需求。为此，IETF 于 2015 年正式发布 HTTP/2，旨在解决 HTTP/1.1 的性能瓶颈。

主要改进

二进制分帧：HTTP/2 使用二进制分帧层将数据帧化，降低解析开销，提高传输效率
多路复用：允许在单一 TCP 连接上并行发送多个请求和响应，消除应用层队头阻塞
头部压缩：通过 HPACK 算法压缩头部信息，减少传输数据量
服务器推送：~~服务器可主动推送资源到客户端，减少请求延迟~~（该特性在实际应用中较少使用）

HTTP/2 基于二进制分帧，可为每个请求分配独立的流 ID，从而实现请求的乱序发送。因此，网页资源不再需要分散到多个域名，可在同一域名下并发请求获取数据。

效果演示

HTTP/2 未解决的问题

尽管 HTTP/2 显著改善了性能，但其仍基于 TCP 协议，存在 TCP 队头阻塞问题：HTTP/2 在单一 TCP 连接上进行多路复用，若底层 TCP 连接出现丢包或延迟，所有并行流都会受到影响。

HTTP/3

为彻底解决 HTTP/2 的队头阻塞问题，HTTP/3 引入了基于 UDP 的 QUIC 协议。QUIC 在设计之初即着眼于降低延迟、提高传输效率。

HTTP/3 的主要改进

基于 UDP 的 QUIC 协议：QUIC 使用 UDP 替代 TCP，避免 TCP 队头阻塞。每个 QUIC 流相互独立，某个流丢包或延迟不会影响其他流
快速握手：QUIC 将 TLS 集成进连接建立过程，首次连接仅需一次 RTT（往返时间），后续连接可实现 0-RTT
改进的拥塞控制：QUIC 内置先进的拥塞控制算法，更高效地利用网络资源，提升传输速度与稳定性

HTTP/3 使用 Packet Number 标识数据包编号，使用 Stream ID 标识不同请求的数据流。

总结

HTTP 协议的每一次演进都旨在解决前一版本的不足，提升传输效率和用户体验：

HTTP/1.1 通过持久连接和管道化提升了性能
HTTP/2 通过二进制分帧和多路复用解决了诸多性能瓶颈
HTTP/3 通过引入 QUIC 协议进一步解决队头阻塞问题，并显著降低延迟