HTTP-Protokoll: Der Eckpfeiler des Internets und wesentliches Wissen für die Webentwicklung

In der Welt des Internets ist das HTTP-Protokoll zweifellos ein grundlegendes Protokoll und wesentliches Wissen im Bereich der Webentwicklung. Insbesondere seine neueste Version, HTTP/2, hat große Aufmerksamkeit erregt und sich zu einem technologischen Hotspot entwickelt. Dieser Artikel befasst sich mit der historischen Entwicklung und den Designkonzepten des HTTP-Protokolls und hilft den Lesern, ein umfassendes Verständnis dieser entscheidenden Technologie zu erlangen.

I. HTTP/0.9: Die embryonale Form der Internetkommunikation

HTTP ist ein Anwendungsschichtprotokoll, das auf dem TCP/IP-Protokoll basiert. Es konzentriert sich auf die Spezifizierung des Kommunikationsformats zwischen Clients und Servern und beinhaltet nicht die Übertragung von Datenpaketen. Standardmäßig wird Port 80 verwendet. Die 1991 veröffentlichte Version HTTP/0.9 ist die früheste Version des HTTP-Protokolls. Sein Design ist extrem einfach und besteht nur aus einem Befehl, GET.

GET /index.html

Die Bedeutung des obigen Befehls ist, dass der Client nach dem Aufbau der TCP-Verbindung die Webseite index.html vom Server anfordert. Gemäß dem Protokoll kann der Server nur mit einer HTML-formatierten Zeichenkette antworten und nicht in anderen Formaten antworten. Zum Beispiel:

<html>
  <body>Hello World</body>
</html>

Nachdem der Server das Senden beendet hat, schließt er sofort die TCP-Verbindung. Obwohl diese Version einfach ist, legte sie den Grundstein für die spätere Entwicklung des HTTP-Protokolls und markierte die Etablierung eines einfachen Kommunikationsmodus zwischen Client und Server.

II. HTTP/1.0: Die anfängliche Erweiterung der Funktionen

Im Mai 1996 wurde die Version HTTP/1.0 veröffentlicht. Verglichen mit HTTP/0.9 hat sich sein Inhalt deutlich erhöht, was wichtige Veränderungen für die Entwicklung des Internets mit sich brachte.

2.1 Einführung

Diversifizierung der Inhaltsformate: HTTP/1.0 erlaubt das Senden von Inhalten in jedem Format. Dies führt dazu, dass das Internet nicht mehr auf die Textübertragung beschränkt ist und verschiedene Datentypen wie Bilder, Videos und Binärdateien über das Netzwerk übertragen werden können, was eine solide Grundlage für die diversifizierte Entwicklung des Internets legt.
Umfangreiche interaktive Befehle: Zusätzlich zum GET-Befehl wurden der POST-Befehl und der HEAD-Befehl eingeführt. Der POST-Befehl wird häufig verwendet, um Daten an den Server zu senden, wie z. B. die Informationen, die bei der Benutzerregistrierung und -anmeldung übermittelt werden. Der HEAD-Befehl wird hauptsächlich verwendet, um die Meta-Informationen von Ressourcen abzurufen, ohne den tatsächlichen Ressourceninhalt zurückzugeben. Die Hinzufügung dieser Befehle hat die Interaktionsmethoden zwischen Browsern und Servern erheblich bereichert.
Änderungen in den Anfrage- und Antwortformaten: Bei jeder Kommunikation müssen zusätzlich zum Datenteil Header-Informationen (HTTP-Header) enthalten sein, die zur Beschreibung einiger Metadaten verwendet werden, wie z. B. die Quelle der Anfrage, der Clienttyp und die akzeptablen Datenformate. Darüber hinaus wurden Funktionen wie Statuscodes, Multi-Charset-Unterstützung, Multi-Part-Sending, Autorisierung, Cache und Content-Encoding hinzugefügt. Der Statuscode wird verwendet, um das Verarbeitungsergebnis des Servers für die Anfrage anzugeben. So bedeutet z. B. 200 eine erfolgreiche Anfrage und 404, dass die Ressource nicht gefunden wurde. Die Multi-Charset-Unterstützung ermöglicht die korrekte Anzeige von Inhalten in verschiedenen Sprachen im Internet. Die Cache-Funktion kann wiederholte Anfragen reduzieren und die Zugriffsgeschwindigkeit verbessern.

2.2 Anfrageformat

GET / HTTP/1.0
User - Agent: Mozilla/5.0 (Macintosh; Intel Mac OS X 10_10_5)
Accept: */*

Verglichen mit der HTTP/0.9-Version hat sich das Anfrageformat der 1.0-Version deutlich verändert. Die erste Zeile ist der Anfragebefehl, und die Protokollversion (HTTP/1.0) muss am Ende hinzugefügt werden. Im Folgenden werden mehrere Zeilen mit Header-Informationen aufgeführt, die zur Beschreibung der Situation des Clients verwendet werden. Das Feld User-Agent identifiziert den Typ und die Version des Clients, und das Feld Accept deklariert die Datenformate, die der Client akzeptieren kann.

2.3 Antwortformat

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

<html>
  <body>Hello World</body>
</html>

Das Antwortformat des Servers ist "Header-Informationen + eine Leerzeile (\r\n) + Daten". Dabei ist die erste Zeile "Protokollversion + Statuscode + Statusbeschreibung". Der Statuscode 200 bedeutet eine erfolgreiche Anfrage, und OK ist die Statusbeschreibung. Das Feld Content-Type gibt den Datentyp an, das Feld Content-Length die Länge der Daten, das Feld Expires die Ablaufzeit der Ressource, das Feld Last-Modified die letzte Änderungszeit der Ressource und das Feld Server den Typ und die Version des Servers.

2.4 Content - Type Feld

In der HTTP/1.0-Version müssen die Header-Informationen im ASCII-Code vorliegen, und die nachfolgenden Daten können in einem beliebigen Format vorliegen. Wenn der Server antwortet, muss er dem Client daher das Format der Daten über das Feld Content-Type mitteilen. Zu den gängigen Werten des Felds Content-Type gehören:

Texttypen: text/plain (reiner Text), text/html (HTML-Dokument), text/css (CSS-Stylesheet).
Bildtypen: image/jpeg (JPEG-Bild), image/png (PNG-Bild), image/svg + xml (SVG-Vektorgrafik).
Audio- und Videotypen: audio/mp4 (MP4-Audio), video/mp4 (MP4-Video).
Anwendungstypen: application/javascript (JavaScript-Skript), application/pdf (PDF-Dokument), application/zip (ZIP-komprimierte Datei), application/atom + xml (Atom-XML-Dokument).

Diese Datentypen werden zusammenfassend als MIME-Typen bezeichnet. Jeder Wert enthält einen Primärtyp und einen Sekundärtyp, die durch einen Schrägstrich getrennt sind. Neben vordefinierten Typen können Hersteller auch benutzerdefinierte Typen definieren, wie z. B. application/vnd.debian.binary - package, was darauf hinweist, dass es sich bei den gesendeten Daten um ein Binärdatenpaket des Debian-Systems handelt. MIME-Typen können am Ende auch Parameter mit einem Semikolon hinzufügen. Zum Beispiel Content - Type: text/html; charset=utf - 8 gibt an, dass es sich bei den gesendeten Daten um eine Webseite handelt und die Kodierung UTF-8 ist. Wenn der Client eine Anfrage stellt, kann er das Feld Accept verwenden, um die Datenformate zu deklarieren, die er akzeptieren kann, z. B. Accept: */*, was angibt, dass der Client jedes Datenformat akzeptieren kann. MIME-Typen werden nicht nur im HTTP-Protokoll verwendet, sondern auch in anderen Bereichen. Zum Beispiel kann in einer HTML-Webseite die Kodierung und der Inhaltstyp der Seite über <meta http - equiv="Content - Type" content="text/html; charset=UTF - 8" /> oder <meta charset="utf - 8" /> angegeben werden.

2.5 Content - Encoding Feld

Da die gesendeten Daten in einem beliebigen Format vorliegen können, können die Daten zur Verbesserung der Übertragungseffizienz vor dem Senden komprimiert werden. Das Feld Content-Encoding wird verwendet, um die Komprimierungsmethode der Daten anzugeben. Gängige Werte sind gzip, compress, deflate. Wenn der Client eine Anfrage stellt, verwendet er das Feld Accept-Encoding, um die Komprimierungsmethoden anzugeben, die er akzeptieren kann, z. B. Accept - Encoding: gzip, deflate.

2.6 Nachteile

Der Hauptnachteil der HTTP/1.0-Version ist, dass jede TCP-Verbindung nur eine Anfrage senden kann. Nachdem die Daten gesendet wurden, wird die Verbindung geschlossen. Wenn andere Ressourcen angefordert werden müssen, muss eine neue Verbindung hergestellt werden. Die Kosten für den Aufbau einer neuen TCP-Verbindung sind relativ hoch, da Client und Server einen Drei-Wege-Handschlag durchführen müssen und die anfängliche Übertragungsrate langsam ist (Slow Start), was zu einer schlechten Leistung der HTTP 1.0-Version führt. Da immer mehr externe Ressourcen auf Webseiten geladen werden, ist dieses Problem immer deutlicher geworden. Um dieses Problem zu lösen, verwendeten einige Browser ein nicht standardmäßiges Connection-Feld in der Anfrage:

Connection: keep - alive

Dieses Feld erfordert, dass der Server die TCP-Verbindung nicht schließt, sodass andere Anfragen wiederverwendet werden können. Wenn der Server ebenfalls mit diesem Feld antwortet, kann eine wiederverwendbare TCP-Verbindung hergestellt werden, bis der Client oder der Server die Verbindung aktiv schließt. Dies ist jedoch kein Standardfeld, und das Verhalten der verschiedenen Implementierungen kann variieren, sodass es keine grundlegende Lösung darstellt.

III. HTTP/1.1: Eine klassische, weit verbreitete Version

Im Januar 1997 wurde die Version HTTP/1.1 veröffentlicht, nur ein halbes Jahr später als die Version 1.0. Sie verbesserte das HTTP-Protokoll weiter und wurde zu einer Version, die heute noch weit verbreitet ist.

3.1 Persistente Verbindung

Die größte Änderung in der HTTP/1.1-Version ist die Einführung der persistenten Verbindung, d. h. die TCP-Verbindung wird standardmäßig nicht geschlossen und kann von mehreren Anfragen wiederverwendet werden, ohne dass Connection: keep - alive deklariert werden muss. Client und Server können die Verbindung aktiv schließen, wenn sie feststellen, dass die Gegenstelle eine Weile inaktiv war. Es ist jedoch üblich, dass der Client in der letzten Anfrage Connection: close sendet und den Server explizit auffordert, die TCP-Verbindung zu schließen. Derzeit erlauben die meisten Browser die Einrichtung von 6 persistenten Verbindungen für dieselbe Domain, was die Effizienz des HTTP-Protokolls erheblich verbessert.

3.2 Pipelining

Die HTTP/1.1-Version führte auch den Pipelining-Mechanismus ein. In derselben TCP-Verbindung kann der Client mehrere Anfragen gleichzeitig senden. Wenn der Client beispielsweise zwei Ressourcen anfordern muss, bestand der bisherige Ansatz darin, zuerst Anfrage A in derselben TCP-Verbindung zu senden, dann auf die Antwort des Servers zu warten und Anfrage B nach Erhalt der Antwort zu senden. Der Pipelining-Mechanismus ermöglicht es dem Browser, Anfrage A und Anfrage B gleichzeitig zu senden. Obwohl der Server immer noch zuerst nacheinander auf Anfrage A antwortet und dann nach Abschluss auf Anfrage B antwortet, verbessert diese Methode die Effizienz des HTTP-Protokolls weiter.

3.3 Content - Length Feld

In der HTTP/1.1-Version kann eine TCP-Verbindung mehrere Antworten übertragen. Daher ist ein Mechanismus erforderlich, um zu unterscheiden, zu welcher Antwort ein Datenpaket gehört. Die Funktion des Felds Content-Length besteht darin, die Länge der Daten in dieser Antwort zu deklarieren. Zum Beispiel:

Content - Length: 3495

Diese Codezeile teilt dem Browser mit, dass die Länge dieser Antwort 3495 Byte beträgt und die nachfolgenden Bytes zur nächsten Antwort gehören. In der Version 1.0 war das Feld Content-Length nicht erforderlich, da der Browser wusste, dass alle Datenpakete empfangen wurden, als er feststellte, dass der Server die TCP-Verbindung geschlossen hatte. In der Version 1.1 ist es notwendig, die Datenlänge zu klären, um verschiedene Antworten zu unterscheiden, da die TCP-Verbindung wiederverwendet werden kann.

3.4 Chunked Transfer Encoding

Die Voraussetzung für die Verwendung des Felds Content-Length ist, dass der Server die Länge der Antwortdaten kennen muss, bevor er die Antwort sendet. Bei einigen zeitaufwändigen dynamischen Operationen bedeutet dies, dass der Server warten muss, bis alle Operationen abgeschlossen sind, bevor er die Daten sendet, was zu einer geringen Effizienz führt. Um dieses Problem zu lösen, sieht die HTTP/1.1-Version vor, dass das Feld Content-Length nicht verwendet werden kann und stattdessen "Chunked Transfer Encoding" verwendet werden kann. Solange die Anfrage- oder Antwort-Header ein Transfer-Encoding-Feld haben, zeigt dies an, dass die Antwort aus einer unbestimmten Anzahl von Datenchunks besteht. Zum Beispiel:

Transfer - Encoding: chunked

Vor jedem nicht leeren Datenchunk gibt es einen Hexadezimalwert, der die Länge dieses Chunks angibt. Schließlich gibt ein Chunk der Größe 0 an, dass die Daten in dieser Antwort vollständig gesendet wurden. Das folgende Beispiel:

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

Diese Methode ermöglicht es dem Server, Daten zu senden, sobald sie generiert werden, und ersetzt den "Puffer-Modus" durch den "Stream-Modus", was die Effizienz der Datenübertragung verbessert.

3.5 Andere Funktionen

Die HTTP/1.1-Version hat auch viele Verb-Methoden hinzugefügt, wie z. B. PUT (zum Aktualisieren von Ressourcen), PATCH (zum teilweisen Aktualisieren von Ressourcen), HEAD (ähnlich wie GET, gibt aber nur Header-Informationen zurück, nicht den Ressourceninhalt), OPTIONS (zum Abrufen von Informationen wie den vom Server unterstützten Anfragemethoden), DELETE (zum Löschen von Ressourcen). Darüber hinaus hat der clientseitige Anforderungsheader ein Host-Feld hinzugefügt, das zum Angeben des Domainnamens des Servers verwendet wird. Zum Beispiel:

Host: www.example.com

Mit dem Host-Feld können Anfragen an verschiedene Websites auf demselben Server gesendet werden, was die Grundlage für den Aufstieg der virtuellen Hosts bildet. Über das Host-Feld kann der Server verschiedene Dienste je nach Domainname bereitstellen, wodurch die gemeinsame Nutzung und Isolierung von Ressourcen erreicht wird.

3.6 Nachteile

Obwohl die HTTP/1.1-Version die Wiederverwendung von TCP-Verbindungen ermöglicht, erfolgt die gesamte Datenkommunikation in derselben TCP-Verbindung sequentiell. Der Server verarbeitet die nächste Antwort erst, nachdem er eine Antwort abgeschlossen hat. Wenn die vorherige Antwort besonders langsam ist, werden viele Anfragen in die Warteschlange gestellt und warten, was als "Head-of-Line-Blocking" bezeichnet wird. Um dieses Problem zu vermeiden, gibt es derzeit nur zwei Methoden: Die eine besteht darin, die Anzahl der Anfragen zu reduzieren, und die andere darin, mehrere persistente Verbindungen gleichzeitig zu öffnen. Dies hat zur Entstehung vieler Webseiten-Optimierungstechniken geführt, wie z. B. das Zusammenführen von Skripten und Stylesheets, das Einbetten von Bildern in CSS-Code und Domain-Sharding. Wenn das HTTP-Protokoll jedoch besser gestaltet wäre, könnten diese zusätzlichen Anstrengungen vermieden werden.

IV. SPDY-Protokoll: Der Vorläufer von HTTP/2

Im Jahr 2009 veröffentlichte Google sein selbst entwickeltes SPDY-Protokoll, mit dem Hauptziel, das Problem der geringen Effizienz von HTTP/1.1 zu lösen. Nachdem sich das SPDY-Protokoll im Chrome-Browser als machbar erwiesen hatte, wurde es als Grundlage für HTTP/2 verwendet, und seine Hauptmerkmale wurden in HTTP/2 übernommen. Das SPDY-Protokoll verbesserte die Effizienz der Datenübertragung durch Optimierungen des HTTP-Protokolls, wie z. B. die Komprimierung von Header-Informationen und Multiplexing, und lieferte wertvolle Erfahrungen und eine technische Grundlage für die Entwicklung von HTTP/2.

V. HTTP/2: Das effiziente Protokoll der nächsten Generation

Im Jahr 2015 wurde HTTP/2 veröffentlicht. Es wird nicht HTTP/2.0 genannt, da der Normenausschuss nicht mehr plant, Subversionen zu veröffentlichen. Die nächste neue Version wird HTTP/3 sein. HTTP/2 ist von großer Bedeutung in der Entwicklungsgeschichte des HTTP-Protokolls und hat eine Reihe bemerkenswerter Verbesserungen mit sich gebracht.

5.1 Binäres Protokoll

Die Header-Informationen in der HTTP/1.1-Version sind Text (ASCII-kodiert), und der Datenkörper kann Text oder binär sein. HTTP/2 ist jedoch ein vollständig binäres Protokoll. Sowohl die Header-Informationen als auch der Datenkörper sind binär und werden zusammenfassend als "Frames" bezeichnet, einschließlich Header-Frames und Daten-Frames. Der Vorteil des binären Protokolls besteht darin, dass zusätzliche Frames definiert werden können. HTTP/2 hat fast zehn Frames definiert und damit eine gute Grundlage für zukünftige fortschrittliche Anwendungen geschaffen. Wenn diese Funktionen mit Text implementiert würden, wäre das Parsen der Daten sehr mühsam, während das binäre Parsen viel bequemer ist. Das binäre Protokoll kann Daten effizienter übertragen und verarbeiten und so die Leistung und Flexibilität des Protokolls verbessern.

5.2 Multiplexing

HTTP/2 verwendet die TCP-Verbindung wieder. In einer Verbindung können sowohl der Client als auch der Browser mehrere Anfragen oder Antworten gleichzeitig senden, und sie müssen nicht einzeln in der Reihenfolge übereinstimmen, wodurch "Head-of-Line-Blocking" vermieden wird. In einer TCP-Verbindung empfängt der Server beispielsweise gleichzeitig Anfrage A und Anfrage B. Er antwortet also zuerst auf Anfrage A. Wenn er feststellt, dass der Verarbeitungsprozess sehr zeitaufwändig ist, sendet er den Teil von Anfrage A, der verarbeitet wurde, und antwortet dann auf Anfrage B. Nach Abschluss sendet er den verbleibenden Teil von Anfrage A. Diese bidirektionale und Echtzeit-Kommunikation wird als Multiplexing bezeichnet. Die Multiplexing-Technologie ermöglicht es HTTP/2, mehrere Anfragen und Antworten gleichzeitig über dieselbe Verbindung zu verarbeiten, was die Übertragungseffizienz erheblich verbessert.

5.3 Datenströme

Da die Datenpakete in HTTP/2 in ungeordneter Reihenfolge gesendet werden, können aufeinanderfolgende Datenpakete in derselben Verbindung zu unterschiedlichen Antworten gehören. Daher ist es notwendig, die Datenpakete zu kennzeichnen, um anzugeben, zu welcher Antwort sie gehören. HTTP/2 bezeichnet alle Datenpakete jeder Anfrage oder Antwort als Datenstrom. Jeder Datenstrom hat eine eindeutige Nummer. Beim Senden von Datenpaketen muss die Datenstrom-ID markiert werden, um zu unterscheiden, zu welchem Datenstrom sie gehört. Darüber hinaus ist festgelegt, dass die vom Client gesendeten Datenströme ungerade IDs und die vom Server gesendeten gerade IDs haben. Wenn ein Datenstrom halbwegs gesendet wird, können sowohl der Client als auch der Server ein Signal (RST_STREAM-Frame) senden, um diesen Datenstrom abzubrechen. In der HTTP/1.1-Version besteht die einzige Möglichkeit, einen Datenstrom abzubrechen, darin, die TCP-Verbindung zu schließen. In HTTP/2 kann eine bestimmte Anfrage abgebrochen werden, während gleichzeitig sichergestellt wird, dass die TCP-Verbindung weiterhin geöffnet ist und von anderen Anfragen verwendet werden kann. Der Client kann auch die Priorität des Datenstroms festlegen. Je höher die Priorität, desto früher antwortet der Server. Durch das Konzept der Datenströme und verwandte Mechanismen erreicht HTTP/2 eine flexiblere und effizientere Datenübertragung und -verwaltung.

5.4 Header-Komprimierung

Das HTTP-Protokoll ist zustandslos, und alle Informationen müssen an jede Anfrage angehängt werden. Daher werden viele Felder in der Anfrage wiederholt, wie z. B. Cookie und User-Agent. Derselbe Inhalt muss an jede Anfrage angehängt werden, was viel Bandbreite verschwendet und die Geschwindigkeit beeinträchtigt. HTTP/2 hat dies durch die Einführung eines Header-Komprimierungsmechanismus optimiert. Einerseits werden die Header-Informationen mit gzip oder Compress komprimiert, bevor sie gesendet werden. Andererseits führen sowohl der Client als auch der Server eine Header-Informationstabelle. Alle Felder werden in dieser Tabelle gespeichert, wodurch eine Indexnummer generiert wird. In Zukunft wird dasselbe Feld nicht mehr gesendet, sondern nur noch die Indexnummer, wodurch die Geschwindigkeit verbessert wird. Der Header-Komprimierungsmechanismus reduziert effektiv die Menge der Datenübertragung und verbessert die Übertragungseffizienz.

5.5 Server Push

HTTP/2 ermöglicht es dem Server, Ressourcen aktiv an den Client zu senden, ohne dass eine Anfrage erforderlich ist, was als Server Push bezeichnet wird. Ein häufiges Szenario ist, wenn ein Client eine Webseite anfordert, die viele statische Ressourcen enthält. Unter normalen Umständen muss der Client die Webseite empfangen, den HTML-Quellcode analysieren, die statischen Ressourcen entdecken und dann Anfragen für die statischen Ressourcen senden. Der Server kann jedoch vorhersehen, dass der Client nach der Anforderung der Webseite wahrscheinlich die statischen Ressourcen anfordern wird, sodass er diese statischen Ressourcen zusammen mit der Webseite aktiv an den Client sendet. Die Server-Push-Technologie reduziert die Anzahl der Client-Anfragen und verbessert die Benutzererfahrung.

Die Entwicklungsgeschichte des HTTP-Protokolls ist ein Prozess der kontinuierlichen Weiterentwicklung und Optimierung. Vom anfänglich einfachen HTTP/0.9 über das funktionsreiche HTTP/1.1 bis hin zum effizienten HTTP/2 hat jede Version die Probleme der vorherigen Version behoben und die Leistung und Funktionalität verbessert. Mit der kontinuierlichen Entwicklung der Technologie ist auch das zukünftige HTTP/3 eine lohnende Erwartung, da es den Fortschritt der Internetkommunikationstechnologie weiter vorantreiben wird.