【计算机网络】应用层HTTP协议

深碍√TFBOYSˉ_ 2023-09-23 21:54 122阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  一、HTTP协议简介
 *  二、HTTP协议的工作原理
 *  二、HTTP协议格式
 *   *  1. 请求格式
     *  2. 响应格式
 *  三、HTTP请求
 *   *  1. URL
     *  2. HTTP请求方法
     *  3. HTTP请求报头
 *  四、HTTP的状态码
 *   *  1. HTTP 状态码的介绍
     *  2. HTTP 状态码的分类
 *  五、简单的HTTP服务器

# 一、HTTP协议简介 #

HTTP协议全称为**超文本传输协议**（英语：**HyperText Transfer Protocol**，缩写：HTTP）是一种用于分布式、协作式和超媒体信息系统的应用层协议，**是因特网上应用最为广泛的一种网络传输协议，所有的 WWW 文件都必须遵守这个标准**。HTTP 是为 Web 浏览器与 Web 服务器之间的通信而设计的。

HTTP 是一个基于 TCP/IP 通信协议来传递数据的（HTML 文件、图片文件、查询结果等），是一种应用层协议。其中HTTP1.0、HTTP1.1、HTTP2.0均为TCP协议实现，HTTP3.0是基于UDP实现的，现在主要使用的是HTTP1.0和HTTP3.0 。

另外，现在我们访问一些网站时我们可以发现，很多都是使用的HTTPS协议进行通信的，其实 HTTPS 是在 HTTP 的基础之上，利用SSL/TLS来加密数据包，一定程度上保证了数据传输的安全性。HTTPS 开发的主要目的，是提供对网站服务器的身份认证，保护交换资料的隐私与完整性。关于HTTPS的详细内容可见博主的后续文章。

# 二、HTTP协议的工作原理 #

HTTP 协议工作与客户端—服务端架构上。浏览器作为 HTTP 客户端通过 URL 向 HTTP 服务端即web服务器发送请求，web服务器根据接收到的请求向客户端发送回响信息，从而实现客户端与服务端之间的通信。

**HTTP的注意事项：**

*  HTTP 的默认端口号是80，但也可以根据自己的意愿改为8080或者其他端口号。
 *  HTTP 是无连接的：无连接的含义是限制每一次连接只处理一个请求，服务器处理完客户端的请求并接受客户端的应答后，便断开连接，采用这种连接方式可以节省传输的时间，从而提供传输效率。
 *  HTTP 是媒体独立的：即只要客户端和服务器知道如何处理数据的内容，任何类型的数据都可以提供HTTP协议进行发送，客户端和服务器只需要指定适合的 MIME-type 内容类型。
 *  HTTP 是无状态的：即HTTP协议对于事务的处理没有记忆能力，那么就意味着如果后续处理需要前面的信息，就必须进行重传，这样可能导致每次连接传输的数据量增大。而另一方面，在服务器不需要先前信息时的应答速度就较快。

**下图展示了HTTP协议通信的基本流程:**

![1a9ee3c0afc24cf1955c1906d56f4bf3.png][]

# 二、HTTP协议格式 #

## 1. 请求格式 ##

客户端发送一个HTTP请求到服务器的请求消息包括以下格式：请求行（request line）、请求头部（header）、空行和请求数据四个部分组成，下图给出了请求报文的一般格式。  
![fdc2ddbe4ab745159e2a18cac002ca4e.png][]  
**请求实例：**

![22ab2585ab9b49c79f337f1619ba0263.png][]

## 2. 响应格式 ##

HTTP响应也由四个部分组成，分别是：状态行、响应头部、空行和响应正文。  
![58ecce73d215441e955b96e508174159.png][]  
**响应实例：**  
![87c4b34abdd34cffb9625777f188b578.png][]

# 三、HTTP请求 #

## 1. URL ##

**URL 的定义：**  
URL 其实就是我们所说的”网址“，URL（Uniform Resource Locator），翻译为统一资源定位符。互连网上的每个文件都有一个唯一的 URL，它包含的信息指出文件的位置以及浏览器应该怎么处理它。

**URL 基本格式：**

*  URL 的标准格式如下：

> 协议类型:\[服务器地址\[:端口号\]\]\[资源层级 UNIX 文件路径\]文件名\[?查询字符串\]\[\#片段标识符\]

*  URL 的完整格式如下:

> 协议类型:\[\[访问资源需要的凭证信息@\]服务器地址\[:端口号\]\]\[资源层级 UNIX 文件路径\]文件名\[?查询字符串\]\[\#片段标识符\]

**URL encode 和 URL decode：**  
像`/`、`?`：等这样的字符，已经被 URL 当做特殊意义理解了，因此这些字符不能随意出现。如果某个参数中需要带有这些特殊字符，就必须先对特殊字符进行转义，即 URL encode。  
一个中文字符由 UTF-8 或者 GBK 这样的编码方式构成，虽然在 URL 中没有特殊含义，但是仍然需要进行转义，否则浏览器可能把 UTF-8/GBK 编码中的某个字节当做 URL 中的特殊符号。

转义的规则如下：  
将需要转码的字符转为16进制，然后从右到左，取4位(不足4位直接处理)，每2位做一位，前面加上%，编码成%XY格式。

例如：  
我们使用百度搜索`C++`，会得到以下的URL：

https://www.baidu.com/s?ie=utf-8&f=8&rsv_bp=1&rsv_idx=1&tn=baidu&wd=C%2B%2B&fenlei=256&oq=%2526lt%253B%252B%252B&rsv_pq=e54ba5da000bec62&rsv_t=356cAxbNy2N%2FqCyjiqiUM%2FegsZGQCgI7yoN0BsJk0FDJ2jKMW8rVEj11dIg&rqlang=cn&rsv_dl=tb&rsv_enter=0&rsv_btype=t&rsv_sug=1

可以发现 query string 的值是 `C%2B%2B`、，通过使用 [URL encode工具][URL encode] 对其进行解码，就知道 `C%2B%2B` 就是表示 C++。  
![b0015241e38948be9a25a713b43c4beb.png][]  
![7e1f68528cb74a19ad3661b8e1997318.png][]

## 2. HTTP请求方法 ##

根据 HTTP 标准，HTTP 请求可以使用多种请求方法。其中HTTP1.0 定义了三种请求方法： GET, POST 和 HEAD 方法。HTTP1.1 新增了六种请求方法：OPTIONS、PUT、PATCH、DELETE、TRACE 和 CONNECT 方法。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>方法</th> 
   <th align="left">描述</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>GET</td> 
   <td align="left">请求指定的页面信息，并返回实体主体。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>HEAD</td> 
   <td align="left">类似于 GET 请求，只不过返回的响应中没有具体的内容，用于获取报头</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>POST</td> 
   <td align="left">向指定资源提交数据进行处理请求（例如提交表单或者上传文件）。数据被包含在请求体中。POST 请求可能会导致新的资源的建立和/或已有资源的修改。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>PUT</td> 
   <td align="left">从客户端向服务器传送的数据取代指定的文档的内容。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>DELETE</td> 
   <td align="left">请求服务器删除指定的页面。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>CONNECT</td> 
   <td align="left">HTTP/1.1 协议中预留给能够将连接改为管道方式的代理服务器。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>OPTIONS</td> 
   <td align="left">允许客户端查看服务器的性能。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>TRACE</td> 
   <td align="left">回显服务器收到的请求，主要用于测试或诊断。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>PATCH</td> 
   <td align="left">是对 PUT 方法的补充，用来对已知资源进行局部更新 。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

其中最常用的就是GET方法和POST方法。

## 3. HTTP请求报头 ##

HTTP请求头提供了关于请求，响应或者其他的发送实体的信息。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">应答头</th> 
   <th align="left">说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">Allow</td> 
   <td align="left">服务器支持哪些请求方法（如GET、POST等）。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">Content-Encoding</td> 
   <td align="left">文档的编码（Encode）方法。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">Content-Length</td> 
   <td align="left">表示内容长度。只有当浏览器使用持久HTTP连接时才需要这个数据。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">Content-Type</td> 
   <td align="left">表示后面的文档属于什么MIME类型。Servlet默认为text/plain，但通常需要显式地指定为text/html。由于经常要设置Content-Type，因此HttpServletResponse提供了一个专用的方法setContentType。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">Date</td> 
   <td align="left">当前的GMT时间。可以用setDateHeader来设置这个头以避免转换时间格式的麻烦。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">Expires</td> 
   <td align="left">应该在什么时候认为文档已经过期，从而不再缓存它？</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">Host</td> 
   <td align="left">客户端告知服务器, 所请求的资源是在哪个主机的哪个端口上。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">Last-Modified</td> 
   <td align="left">文档的最后改动时间。客户可以通过If-Modified-Since请求头提供一个日期，该请求将被视为一个条件GET，只有改动时间迟于指定时间的文档才会返回，否则返回一个304（Not Modified）状态。Last-Modified也可用setDateHeader方法来设置。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">Location</td> 
   <td align="left">表示客户应当到哪里去提取文档。Location通常不是直接设置的，而是通过HttpServletResponse的sendRedirect方法，该方法同时设置状态代码为302。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">Refresh</td> 
   <td align="left">表示浏览器应该在多少时间之后刷新文档，以秒计。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">Server</td> 
   <td align="left">服务器名字。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">Set-Cookie</td> 
   <td align="left">设置和页面关联的Cookie。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">WWW-Authenticate</td> 
   <td align="left">客户应该在Authorization头中提供什么类型的授权信息？在包含401（Unauthorized）状态行的应答中这个头是必需的。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

# 四、HTTP的状态码 #

## 1. HTTP 状态码的介绍 ##

当浏览者访问一个网页时，浏览者的浏览器会向网页所在服务器发出请求。当浏览器接收并显示网页前，此网页所在的服务器会返回一个包含 HTTP 状态码的信息头（server header）用以响应浏览器的请求。HTTP 状态码的英文为 HTTP Status Code。  
**常见的 HTTP 状态码：**

*  200 - 请求成功
 *  301 - 资源（网页等）被永久转移到其它URL
 *  302 - 资源（网页等）被暂时转移到其它URL
 *  404 - 请求的资源（网页等）不存在
 *  500 - 内部服务器错误

## 2. HTTP 状态码的分类 ##

HTTP 状态码由三个十进制数字组成，第一个十进制数字定义了状态码的类型。响应分为五类：信息响应(100 ~ 199) ，成功响应(200 ~ 299) ，重定向(300 ~ 399) ，客户端错误(400~499) 和服务器错误 (500 ~ 599) ：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">分类</th> 
   <th align="left">描述</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">1**</td> 
   <td align="left">信息，服务器收到请求，需要请求者继续执行操作</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">2**</td> 
   <td align="left">成功，操作被成功接收并处理</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">3**</td> 
   <td align="left">重定向，需要进一步的操作以完成请求</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">4**</td> 
   <td align="left">客户端错误，请求包含语法错误或无法完成请求</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">5**</td> 
   <td align="left">服务器错误，服务器在处理请求的过程中发生了错误</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

# 五、简单的HTTP服务器 #

利用TCP传输协议实现一个只在网页上显示“This is my httpServer!”，的简单HTTP服务器。

**封装Server.hpp**

#pragma once
    #include <iostream>
    #include <fstream>
    #include <string>
    #include <cassert>
    #include <cstring>
    #include <sys/socket.h>
    #include <netinet/in.h>
    #include <arpa/inet.h>
    #include <signal.h>
    #include <unistd.h>
    
    #define CRLF "\r\n"
    #define SPACE " "
    #define SPACE_LEN strlen(SPACE)
    #define HOME_PAGE "index.html"
    #define ROOT_PATH "wwwroot"
    
    std::string ReadFile(const std::string &path)
    {
        
        std::ifstream in(path, std::ifstream::binary);
        if (!in.is_open())
        {
        
            return "404 NOT FOUND";
        }
    
        std::string content;
        std::string line;
        while (std::getline(in, line))
        {
        
            content += line;
        }
        in.close();
        return content;
    }
    
    std::string GetPath(std::string request)
    {
        
        std::size_t pos = request.find(CRLF);
        if(pos == std::string::npos)
        {
        
            return nullptr;
        }
    
        // 获取第一行：GET PATH HTTP/1.1 
        std::string line = request.substr(0, pos);
        std::size_t first_space = line.find(SPACE);
        if(first_space == std::string::npos)
        {
        
            return nullptr;
        }
        std::size_t second_space = line.rfind(SPACE);
        if(second_space == std::string::npos)
        {
        
            return nullptr;
        }
    
        std::string path = line.substr(first_space + SPACE_LEN, second_space - (SPACE_LEN + first_space));
        if(path[0] == '/' && path.size() == 1)
            path += HOME_PAGE;
    
        return path;
    }
    
    void _handlerHttpRequest_(int sock)
    {
        
        char buf[1024 * 10] = {
        0};
        ssize_t read_size = read(sock, buf, sizeof buf);
        if (read_size > 0)
        {
        
            std::cout << buf;
        }
    
        // std::string response = "HTTP/1.1 302 Temporarily Moved\r\n"; // 临时重定向
        std::string response = "HTTP/1.1 301 Permanently Moved\r\n"; // 永久重定向
        response += "Location: https://www.baidu.com/\r\n";
        response += "\r\n";
    
        // write(sock, response.c_str(), response.size());
        send(sock, response.c_str(), response.size(), 0);
    }
    
    void handlerHttpRequest(int sock)
    {
        
        char buf[1024 * 10] = {
        0};
        ssize_t read_size = read(sock, buf, sizeof buf);
        if (read_size > 0)
        {
        
            std::cout << buf;
        }
    
        // 获取请求中的路径
        std::string path = GetPath(buf);
    
        // 请求的文件路径在请求行中，第二个字段就是要访问的文件
        //  GET PATH HTTP/1.1
        std::string resource = ROOT_PATH;
        resource += path;
        
        //debug
        std::cout << resource << std::endl;
    
        // 获取文件后缀
        std::size_t pos = resource.find(".");
        std::string suffix = resource.substr(pos);
    
        // 读取文件内容
        std::string html = ReadFile(resource);
    
        // 回响
        std::string response;
        response = "HTTP/1.0 200 OK\r\n";
        if (suffix == ".jpg")
            response += "Content-Type: image/jpeg\r\n";
        else
            response += "Content-Type: text/html\r\n";
    
        response += ("Content-Length: " + std::to_string(html.size()) + "\r\n");
        // 添加cookie
        response += "Set-Cookie: this is my cookie content;\r\n";
        response += "\r\n";
        response += html;
        send(sock, response.c_str(), response.size(), 0);
    }
    
    class Server
    {
        
    public:
        Server(uint16_t port, const std::string &ip = "")
            : _listenSock(-1), _port(port), _ip(ip), _quit(false)
        {
        
            signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
        }
        ~Server()
        {
        
            if (_listenSock >= 0)
            {
        
                close(_listenSock);
            }
        }
    
    public:
        void init()
        {
        
            // 创建socket
            _listenSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
            if (_listenSock < 0)
            {
        
                std::cerr << "socket error" << std::endl;
                exit(1);
            }
    
            // 填充信息
            sockaddr_in addr;
            memset(&addr, 0, sizeof(addr));
            addr.sin_family = PF_INET;
            addr.sin_port = htons(_port);
            addr.sin_addr.s_addr = _ip.empty() ? htonl(INADDR_ANY) : inet_addr(_ip.c_str());
    
            // bind
    
            if (bind(_listenSock, (const sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) < 0)
            {
        
                std::cerr << "bind error" << std::endl;
                exit(2);
            }
    
            // 监听
            if (listen(_listenSock, 5) < 0)
            {
        
                std::cerr << "listen error" << std::endl;
                exit(3);
            }
        }
    
        void loop()
        {
        
            while (!_quit)
            {
        
                sockaddr_in peer;
                socklen_t len = sizeof(peer);
                int peer_sock = accept(_listenSock, (sockaddr *)&peer, &len);
                if (peer_sock < 0)
                {
        
                    std::cerr << "accept error" << std::endl;
                    exit(4);
                }
    
                // 多进程版
                pid_t id = fork();
                if (id > 0)
                {
        
                    // 父进程
                    close(peer_sock);
                }
                else if (id == 0)
                {
        
                    // 子进程
                    close(_listenSock);
                    handlerHttpRequest(peer_sock);
                    close(peer_sock);
                    exit(0);
                }
                else
                {
        
                    std::cerr << "fork error" << std::endl;
                    exit(5);
                }
            }
        }
    
        bool quitServer()
        {
        
            _quit = true;
            return true;
        }
    
    private:
        int _listenSock; // sock
        uint16_t _port;  // 服务器端口
        std::string _ip; // IP地址
        bool _quit;      // 安全退出的标志
    };

**实现httpServer**

#include <iostream>
    #include "Server.hpp"
    
    static void Usage(std::string proc)
    {
        
        std::cerr << "Usage:\n\t" << proc << " port" << std::endl;
        std::cerr << "example:\n\t" << proc << " 8080\n"
                  << std::endl;
    }
    
    int main(int argc, char* argv[])
    {
        
        if(argc != 2)
        {
        
            Usage(argv[0]);
            exit(-1);
        }
    
        uint16_t port = atoi(argv[1]);
    
        Server server(port);
        server.init();
        server.loop();
    
        return 0;
    }

**编写 index.html**

<!DOCTYPE html>
    <html>
    
    <head>
        <meta charset="utf-8">
        <title>我的测试</title>
    </head>
    
    <body>
        <p> This is my httpServer!</p>
    </body>
    
    </html>

**运行结果：**  
![24d0b33699014136a6e19a93e57769cb.png][]

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