计算机网络——HTTP协议详解（上）

一、HTTP协议简单介绍

1.1 什么是HTTP协议

HTTP（超文本传输协议）是一种用于在Web浏览器和Web服务器之间传输数据的应用层协议。它是一种无状态协议，即服务器不会保留与客户端的任何连接状态信息，每个请求都被视为一个独立的事务。

假设你使用Web浏览器（例如Chrome）访问一个网页。当你在浏览器中输入网址并按下"Enter"键时，浏览器会向服务器发送一个HTTP请求。你也可以理解为HTTP协议是在客户端（浏览器）和服务器之间传输数据的基础（约定）。

1.2 再次理解协议

协议是指在通信过程中，参与方之间所达成的一种约定或规范。在网络通信中，协议是用来定义数据传输规则和通信方式的一组规范。

具体来说，基于HTTP协议，它定义了客户端（例如Web浏览器）和服务器之间进行通信时所需遵循的规范。

  HTTP协议主要包含以下几个方面的规定：

  1. 请求方式：HTTP协议定义了一系列的请求方法，如GET、POST、PUT、DELETE等，用于告知服务器进行何种操作。

  2. 请求和响应格式：HTTP协议规定了请求消息和响应消息的格式。请求消息由请求行、请求头部和请求正文组成，而响应消息由状态行、响应头部和响应正文组成。

  3. 状态码：HTTP协议定义了一系列的状态码，用于表示服务器对请求的处理结果。例如，200表示成功、404表示资源未找到、500表示服务器内部错误等。

  4. 头部信息：HTTP协议通过头部字段来携带各种元数据，例如Content-Type用于指示请求或响应的数据类型，Content-Length表示消息正文的长度等。

  5. 连接管理：HTTP协议还定义了一些机制用于管理连接，如持久连接（keep-alive）允许多个请求和响应复用同一个TCP连接，以减少连接建立的开销。

二、HTTP请求

2.1 HTTP的工作过程

我们不妨先来了解一下HTTP的工作过程。当你在浏览器中输入一个网址并按下"Enter"键时，浏览器就会向服务器发送一个HTTP请求。请求时，浏览器会给服务器发送请求报文。当服务器收到请求后，它会根据请求报文进行相应的处理，并生成一个HTTP响应（响应报文）返回给浏览器。一个请求再加一个回应，就完成了客户端与服务器的数据传输与交互。

上述讲述的都是概念。下面我们结合一段代码来理解。在看代码之前，强调一下HTTP 是一种应用层协议，是基于 TCP/IP 通信协议来传递数据的。具体也可看下图：

demo代码

首先我们需要基于套接字实现一个服务端HttpServer.hpp：

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include "Sock.hpp"class HttpServer
{
public:using func_t = std::function<void(int)>;private:Sock _serverSock;int _sock;std::string _ip;uint16_t _port;func_t _func;public:HttpServer(uint16_t port, func_t func, std::string ip = "0.0.0.0"):_port(port),_func(func),_ip(ip){_sock = _serverSock.Socket();_serverSock.Bind(_sock, _port, _ip);_serverSock.Listen(_sock);}void start(){signal(SIGCHLD, SIG_IGN);while(true){std::string clientIP;uint16_t clientPort = 0;int sockfd = _serverSock.Accept(_sock, &clientIP, &clientPort);if(sockfd < 0)continue;if(fork() == 0){close(_sock);_func(sockfd);close(sockfd);exit(0);}close(sockfd);}}~HttpServer(){if(_sock >= 0) close(_sock);}
};

下面是对套接字操作的封装代码Sock.hpp：


#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <cassert>
#include <unistd.h>
#include <memory>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <ctype.h>
#include "LogTest.hpp"class Sock
{
private:const static int gbacklog = 20;public:Sock() {}int Socket(){int listensock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (listensock < 0){LogMessage(FATAL, "create socket error, %d:%s", errno, strerror(errno));exit(2);}LogMessage(NORMAL, "create socket success, listensock: %d", listensock);return listensock;}void Bind(int sock, uint16_t port, std::string ip = "0.0.0.0"){struct sockaddr_in local;memset(&local, 0, sizeof local);local.sin_family = AF_INET;local.sin_port = htons(port);inet_pton(AF_INET, ip.c_str(), &local.sin_addr);if (bind(sock, (struct sockaddr *)&local, sizeof(local)) < 0){LogMessage(FATAL, "bind error, %d:%s", errno, strerror(errno));exit(3);}}void Listen(int sock){if (listen(sock, gbacklog) < 0){LogMessage(FATAL, "listen error, %d:%s", errno, strerror(errno));exit(4);}LogMessage(NORMAL, "init server success");}// 一般经验// const std::string &: 输入型参数// std::string *: 输出型参数// std::string &: 输入输出型参数int Accept(int listensock, std::string *ip, uint16_t *port){struct sockaddr_in src;socklen_t len = sizeof(src);int servicesock = accept(listensock, (struct sockaddr *)&src, &len);if (servicesock < 0){LogMessage(ERROR, "accept error, %d:%s", errno, strerror(errno));return -1;}if(port) *port = ntohs(src.sin_port);if(ip) *ip = inet_ntoa(src.sin_addr);return servicesock;}bool Connect(int sock, const std::string &server_ip, const uint16_t &server_port){struct sockaddr_in server;memset(&server, 0, sizeof(server));server.sin_family = AF_INET;server.sin_port = htons(server_port);server.sin_addr.s_addr = inet_addr(server_ip.c_str());if(connect(sock, (struct sockaddr*)&server, sizeof(server)) == 0) return true;else return false;}~Sock() {}
};

下面我们要做的就是启动服务器，然后用Web浏览器访问我们所启动的服务器，这时候是浏览器向我们所写的服务器发送请求。根据上述HTTP协议的工作过程，这时候会像服务器发送一个请求报文。我们启动服务器HTTPServer.cc：

#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>
#include <fstream>#include "Util.hpp"
#include "HttpServer.hpp"void Usage(std::string name)
{std::cout << "\nUsage :" << name << " Port\n" << std::endl;
}void HandlerHttpRequest(int sockfd)
{// 1. 读取请求 for testchar buffer[10240];ssize_t s = recv(sockfd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0);if (s > 0){buffer[s] = 0;std::cout << buffer << "--------------------\n" << std::endl;}}int main(int argc, char* argv[])
{if(argc != 2){Usage(argv[0]);exit(0);}std::unique_ptr<HttpServer> httpServer(new HttpServer(atoi(argv[1]),                 HandlerHttpRequest));httpServer->start();return 0;
}

运行结果：

我们看到确实我们所写的服务器发送了一些信息。该信息就是请求报文。但发现无法打开此页面，是因为我们并没有向浏览器发送任何响应数据。接下来我们详细了解一下HTTP的请求。

2.2 URL介绍

 URL（Uniform Resource Locator）是用于标识和定位互联网上资源的字符串。URL由多个组件构成，包括协议、域名（或IP地址）、端口号、路径和查询参数等。

下面是一个示例URL：http://www.example.com:8080/path/to/resource?param1=value1&param2=value2

解释：

  • 协议：URL的第一部分是协议，这里是"http"。协议指定了浏览器与服务器之间的通信规则，常见的有HTTP和HTTPS。
  • 域名（或IP地址）：在示例中，域名是"www.example.com"。域名是用于标识互联网上特定站点的字符串，也可以使用IP地址来代替。
  • 端口号：示例中的端口号是"8080"。默认情况下，HTTP使用80端口，HTTPS使用443端口，但可以使用不同的端口号来访问特定的服务。
  • 路径：路径指定了在服务器上资源的位置，示例中是"/path/to/resource"。路径可以是文件、目录或其他资源的位置。
  • 查询参数：在示例中，查询参数是"?param1=value1&param2=value2"。查询参数用于向服务器传递额外的信息，以便执行特定的操作或获取特定的结果。

平时我们俗称的 "网址" ，其实就是说的 URL。 具体也可看下图：

域名就是服务器地址。浏览器会对域名进行解析，解析后就会转换为对应的地址。一个服务器地址，再加上端口号，这就标示了该服务器的唯一进程。端口号后面用  ‘ / ’ 分隔的就是我们所请求资源在该服务器上的路径。

2.3 HTTP 请求格式

服务器收到一个HTTP请求后，请求格式如下：

  1. 请求行：浏览器发送的第一部分是请求行，它包含了请求的方法（例如GET）、要访问的资源路径（例如/index.html）以及使用的HTTP版本（例如HTTP/1.1）。

  2. 请求头部：接下来，浏览器发送请求头部，其中包含一些额外的信息，例如浏览器类型、所支持的编码方式、语言首选项等。

  3. 空行：请求头部之后是一个空行，用于分隔请求头部和请求正文。

  4. 请求正文（可选）：有些请求可能包含请求正文，例如表单数据或上传的文件。

其实我们对照我们刚刚举例的运行结果，也可总结出请求报文的格式，具体如下图：

当服务器拿到请求报文后，会对请求报文进行分析。例如，其中就包含了请求的方法（例如GET）、请求的资源路径和协议版本，结合请求报头就会对此进行分析，找到资源并形成响应报文进行返回。其中有许多细节并未解释，后文会详细解释。下面我们先来看一下响应报文的格式。

三、HTTP响应

上述我们例子中并未看到有任何界面。原因就是在于Web浏览器并未收到任何响应。根本在于我们所写的服务器就没有对此进行响应。我们不妨先看一下响应的实例。

3.1 响应demo

HttpServer.cc：

// 一般http都要有自己的web根目录
#define ROOT "./wwwroot" // ./wwwroot/index.html
// 如果客户端只请求了一个/,我们返回默认首页
#define HOMEPAGE "index.html"void Usage(std::string name)
{std::cout << "\nUsage :" << name << " Port\n"<< std::endl;
}void HandlerHttpRequest(int sockfd)
{// 1. 读取请求 for testchar buffer[10240];ssize_t s = recv(sockfd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0);if (s > 0){buffer[s] = 0;// std::cout << buffer << "--------------------\n" << std::endl;}std::vector<std::string> vline;Util::cutString(buffer, "\n", &vline);std::vector<std::string> vblock;Util::cutString(vline[0], " ", &vblock);std::string file = vblock[1];std::string target = ROOT;if (file == "/")file = "/index.html";target += file;std::cout << target << std::endl;std::string content;std::ifstream in(target);if (in.is_open()){std::string line;while (std::getline(in, line)){content += line;}in.close();}std::string HttpResponse;if (content.empty())HttpResponse = "HTTP/1.1 404 NotFound\r\n";elseHttpResponse = "HTTP/1.1 200 OK\r\n";HttpResponse += "\r\n";HttpResponse += content;// 2. 试着构建一个http的响应send(sockfd, HttpResponse.c_str(), HttpResponse.size(), 0);
}int main(int argc, char *argv[])
{if (argc != 2){Usage(argv[0]);exit(0);}std::unique_ptr<HttpServer> httpServer(new HttpServer(atoi(argv[1]), HandlerHttpRequest));httpServer->start();return 0;
}

这里有一个细节：当我们输入URL没有请求资源路径时，浏览器会自动加上一个 ’ / ‘，代表着根目录。这里的根目录与Liunx 的根目录是不同的。一般服务器都会设置默认的Web根目录。这时候就是访问的默认界面。

index.html:

<!DOCTYPE html>
<html lang="en"><head><meta charset="UTF-8"><meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge"><meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0"><title>HTTP响应</title>
</head><body><h3>现在你能够看到我了</h3><p>我是一个Linux的学习者，我正在进行http的测试工作！！</p><p>我是一个Linux的学习者，我正在进行http的测试工作！！</p><p>我是一个Linux的学习者，我正在进行http的测试工作！！</p><p>我是一个Linux的学习者，我正在进行http的测试工作！！</p><p>我是一个Linux的学习者，我正在进行http的测试工作！！</p><p>我是一个Linux的学习者，我正在进行http的测试工作！！</p><p>我是一个Linux的学习者，我正在进行http的测试工作！！</p>
</body>
</html>

运行结果：

确实有了界面，也正是我们所设计的界面。通过HTTP，客户端可以获取到Web服务器上的各种资源，例如HTML文档、图像、视频、样式表等。

3.2 HTTP响应格式

当服务器收到请求后，它会进行相应的处理，并生成一个HTTP响应返回给浏览器。

  1. 响应状态行：响应的第一部分是状态行，它包含了响应的HTTP版本（例如HTTP/1.1）、响应状态码（例如200表示成功）以及对应的状态消息（例如"OK"）。

  2. 响应头部：接下来，服务器发送响应头部，其中包含一些额外的信息，例如服务器类型、响应时间、返回的数据类型等。

  3. 空行：响应头部之后是一个空行，用于分隔响应头部和响应正文。

  4. 响应正文：响应正文包含了服务器返回的实际数据，例如HTML页面、图像、CSS样式表等。

具体也可结合下图理解：

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