【协议】HTTP、HTTPS和HTTP2.0学习总结

1. TCP/IP四层协议

记得大学学网络课程的时候，学的都是OSI/RM七层协议，应用层 -> 表示层 -> 会话层 -> 传输层->网络层->数据链路层->物理层，当时学的时候，感觉太抽象了，学得个一知半解。大脑在接收新东西时，需要有个具体实物或模型对应，将知识具像化，再高深的知识都容易理解。

言归正传，本文主要是总结一下HTTP通信过程，以及HTTPS是在HTTP基础上干了什么，而HTTP2.0又是对HTTP1.1做了啥大刀阔斧的改进。在讲这些之前，先讲讲TCP/IP四层协议。虽然OSI/RM七层协议是理论标准，TPC/IP四层协议是事实标准，多少层都无所谓，只是计算机/网络科学家按一定规则分的，便于理解和传播。

TCP/IP四层协议：应用层 -> 传输层 -> 网络层 -> 数据链路层，此处“应用层”对应OSI/RM的“应用层 -> 表示层 -> 会议层”，此处“数据链路层”对应OSI/RM的“数据链路层->物理层”（后续笔者再补个映射图吧）。

1.1 应用层协议

举例：HTTP、FTP、SMTP、POP3......

作用：应用层负责为用户提供网络服务，例如电子邮件、文件传输和远程登录

1.2 传输层协议

举例：TCP、UDP

作用：传输层负责在网络中建立端到端的连接，提供可靠的数据传输。注：

TCP协议是一种可靠的传输协议，通过三次握手建立连接，并通过序列号和确认号来保证数据的可靠传输。
UDP协议是一种无连接的传输协议，是基于IP协议的传输协议，不提供可靠的数据传输服务，较低的延迟和较小的数据包头部开销。

1.3 网络层协议

举例：IP、ARP、ICMP、IGMP......

作用：网络层负责将数据包从一个节点传输到另一个节点，并提供寻址和路由功能

IP协议是一种无连接的协议，是基于ARP协议的网络层协议，IP协议负责将数据从源主机发送到目的主机，通过IP地址来标识主机位置。
ARP协议是一种用于解析IP地址和MAC地址之间映射关系的协议，它是基于IP协议的网络层协议，ARP负责将IP地址转换为MAC地址，以便在局域网中进行数据通信。
ICMP协议是一种用于网络管理的协议，是基于IP协议的网络层协议，ICMP负责报告网络错误和状态信息，例如：网络不可达、主机不可达。

1.4 数据链路层协议

举例：Ethernet、Wi-Fi、PPP(Point-to-Point Procotol)、ATM(Asynchronous Transfer Mode)

作用：数据链路层负责将数据包从一个节点传输到另一个节点，并提供错误检测和修复功能

2. HTTP协议和TCP三次握手/四次挥手

2.1 HTTP协议数据包装过程

应用层：上层数据（HTTP头部 + HTTP body）

传输层：TCP头 + 上层数据

网络层：IP头 + TCP头 + 上层数据

数据链路层：LLC头 + IP头 + TCP头 + 上层数据 + FCS

MAC头 + LLC头 + IP头 + TCP头 + 上层数据 + FCS

2.2 TCP建立连接-三次握手

SYN seq=x（client -> sever）

SYN seq=y ACK=x+1（server -> client）

ACK=y+1（client -> server）

2.3 TCP断开连接-四次挥手

FIN seq=x+2 ACK=y+1（client -> server）

ACK=x+3（server -> client）

FIN seq=y+1（server -> client）

ACK=y+2（client -> server）

3. HTTPS

HTTP数据是未加密的，别有用心者在网络某个节点上抓包，可以很容易知道传了什么数据。为了数据安全的传输，提出来超文本传输安全协议HTTPS（Hyper Text Transfer Protocol over SecureSocket Layer）。HTTPS涉及对称加密和非对称加密：

3.1 对称加密

明文 + 密钥 -> 密文
密文 + 密钥 -> 明文

即加密和解密是用同一个密钥，需要保障密钥的安全。

3.2 非对称加密

明文 + 私钥 -> 密文1
密文1+ 公钥 -> 明文
明文 + 公钥 -> 密文2
密钥2 + 私钥 -> 明文

即私钥加密公钥解密，公钥加密私钥解密。

由于公钥是公开的，也即私钥加密的数据，没有安全性，因此需要结果对称加密一起使用。例如：对称加密的密钥Key，通过非对称加密的公钥PublicKey加密，传给对端；对端使用私钥PrivateKey解密拿到对称加密的密钥Key，后续二者就通过对称加密来交换数据即可。

（PS：对称和非对称加密，是一种比较有趣的二进制数学运算，有兴趣的同学可以了解一下，笔者后续推出详细介绍加解密的文章）

3.3 对称加密+非对称加密

客户端向服务器请求公钥
服务器响应公钥信息给客户端
客户端随机生成一个随机数（对称加密的密钥），并使用公钥进行加密，发送给服务端
服务端根据私钥对数据进行解密，得到对称加密的密钥
后续客户端与服务端对称加密的方式进行通信

两个问题：

数字签名解决报文被篡改的问题：将发送的数据用Hash算法生成消息摘要，然后用私钥生成数字签名，与原文一起发送，接收者用公钥解开得到摘要信息A，再用Hash对接收到的原文生成一个摘要信息B，A和B进行比较，说明信息未被篡改。
数字证书解决通信身份被伪装的问题

3.4 HTTPS通信

TLS握手过程：明文 -> 非对称加密 -> 对称加密

Step 1：TCP三次握手

Step 2：浏览器给出TLS协议版本号、客户端生成随机数1、客户端支持的加密方法（明文通信）

Step 3：服务器确认双方使用的加密方法，给出数字证书、服务器生成随机数2（明文通信）

Step 4：浏览器确认证书有效，生成随机数3，使用数字证书的公钥加密随机数3，发给服务器

Step 5：服务器使用私钥解密出随机数3（Premaster secret）

Step 6：客户端和服务器根据约定的加密方法，使用随机数1（Client random）、随机数2（Pre-mastersecret）、随机数3（Pre-mastersecret），经过特定算法生成对话密钥（session key），用来加密接下来的对话过程

Step 7：客户端和服务器都会第一次使用会话密钥加密一个消息发送给对方

简单一点说，HTTPS就是在在HTTP和TCP之间，多了一层TLS/SSL层，在TCP三次握手之后，TLS再和服务器交换加密信息，得到加密密钥

（PS：握草，在浏览器F12 network只看到一条HTTPS请求，底层程序已经干了这么多事情）。

4. HTTP2.0

这里参考深入理解http2.0协议，看这篇就够了！ - 知乎 (zhihu.com)整理。

4.1 二进制分帧

HTTP2.0更牛逼一些，在原来HTTP基础，对HTTP报文进行分帧，即新增了Binary Framing层（PS：不是四层协议么？怎么又多了TLS层、多了BinaryFraming层？笔者：别再提层不层的，科学家们都是为了技术的传播和理解呐）。

4.2 多路复用（Multiplexing）/连接共享

在http1.1中，浏览器客户端在同一时间，针对同一域名下的请求有一定数量的限制，超过限制数目的请求会被阻塞。这也是为何一些站点会有多个静态资源 CDN 域名的原因之一。

而http2.0中的多路复用优化了这一性能。多路复用允许同时通过单一的http/2 连接发起多重的请求-响应消息。有了新的分帧机制后，http/2 不再依赖多个TCP连接去实现多流并行了。每个数据流都拆分成很多互不依赖的帧，而这些帧可以交错（乱序发送），还可以分优先级，最后再在另一端把它们重新组合起来。