简述HTTP协议的工作原理_https与http区别

1. HTTP长连接原理

HTTP属于 TCP/IP模型中的应用层协议，HTTP长连接和HTTP短连接，指的是传输层的TCP连接是否被多次使用。

一般来说，用户通过浏览器输入URL回车，浏览器会通过DNS解析域名得到服务器的IP地址，然后通过解析出来的 IP和URL中的端口（默认为 80）发起建立 TCP连接请求，通过三次握手之后，建立TCP连接。

1.1 HTTP长连接和短连接

默认情况下，HTTP的1.0版本协议中，HTTP在每次请求结束后都会主动释放TCP连接，因此HTTP连接是一种“短连接”。客户端与服务端通过HTTP短连接的交互过程，具体如下图所示。

在高并发场景使用HTTP“短连接”通信，会出现两个问题：

（1）性能较差：传输层的TCP连接不会复用，每一次请求，都需要建立和拆除一次 TCP连接，也即是说，每次请求均需要TCP三次握手建立连接，TCP四次挥手关闭连接，性能较差。

（2）很容易出现端口被占满：在主动断开方，系统会出现大量的TIME_WAIT状态的 TCP连接，只有等2个MSL后，TCP连接才会进行关闭掉，在高并发场景中，如果服务器主动断开连接，则很容易发生端口耗尽。当然，如果连接被设置了SO_RESUSEADDR特性，其端口可能被其他连接复用，尽管如此，还是会存在不少的约束条件影响到端口复用。出于以上两个原因，在高并发场景使用HTTP“短连接”进行通信肯定是不行的。

HTTP长连接，也叫HTTP持久连接，指的是TCP连接建立后，该传输层连接不再进行释放，供应用层反复使用。客户端与服务端通过HTTP长连接的交互过程，具体如下图所示：

HTTP长连接的特点是：

（1）性能较高，不需要重复建立TCP连接或者关闭TCP连接；

（2）TCP数据传输连接基本上不会出现CLOSE_WAIT和TIME_WAIT的问题，系统资源的使用效率会大大提升。 HTTP长连接也有缺点：一般需要一个连接池来对可供复用的TCP长连接进行管理和监测。常见的数据库连接池、HTTP连接池，本质上都属于TCP连接池。

1.2 HTTP/1.1 协议支持的长连接

HTTP/1.1默认使用长连接而不是短连接，除非显式关闭TCP连接。如果要显式关闭连接，需要在HTTP报文首部加上“Connection:Close”请求头，也就是说在HTTP/1.1协议中，默认情况下，所有的TCP连接都可以进行复用的。

当然，不发送“Connection:Close”请求头，不意味着服务器承诺TCP连接永远保持打开。空闲的TCP连接也可以被客户端与服务端关闭。

2. 服务端HTTP长连接技术

本节对主流的反向代理服务器Nginx和应用服务器Tomcat的服务端长连接配置进行介绍。

2.1 Tomcat的长连接配置

生产环境所用的Java应用服务器不一定是Tomcat，可能是JBoss、Jetty或者其他的应用服务器。无论使用哪一种服务器，其HTTP长连接配置的原理是类似的，所以，这里以 Tomcat为例进行应用服务器的长连接配置介绍。服务器端Tomcat的长连接配置，主要分为两种场景：

（1）独立部署的Tomcat

在传统的Nginx+Tomcat架构的Web应用中，一般使用独立部署的Tomcat作为Web服务器。

（2）内嵌部署的Tomcat

在目前主流的Spring Boot应用，一般使用内嵌的Tomcat作为Web服务器。

以上两种细分场景的Tomcat使用，具体如下图所示：

图：Tomcat使用的两种细分场景

1. 独立部署 Tomcat 的长连接配置

针对于细分场景一中的独立部署Tomcat，其长连接配置是通过修改Tomcat配置文件中 Connector（连接器）的配置完成的。一个使用HTTP长连接的Connector连接器的配置示例大致如下（Tomcat版本假定8.0或以上）：

<Connector port="8080" redirectPort="8443"
    protocol="org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol"
    connectionTimeout="20000"
    URIEncoding="UTF-8"
    keepAliveTimeout="15000"
    maxKeepAliveRequests="-1"
    maxConnections="3000"
    maxThreads="1000"
    maxIdleTime="300000"
   minSpareThreads="200"
   acceptCount=”100″
   enableLookups="false" />

对以上配置示例中用到的三个长连接配置选项，介绍如下：

（1）keepAliveTimeout

此选项为TCP连接保持时长，单位为毫秒。表示在下次请求过来之前，该连接将被Tomcat保持多久。在keepAliveTimeout时间范围内，假如客户端不断有新的请求过来，则该连接将一直被保持。KeepAliveTimeout选项决定一个不活跃的连接能保持多少时间。

（2）maxKeepAliveRequests

此选项表示长连接最大支持的请求数。超过该请求数的连接将被关闭，关闭的时候 Tomcat会返回一个带“Connection: close”响应头的给客户端。当maxKeepAliveRequests的值为-1时，表示没有最大请求数限制；如果其值被设置为 1，将会禁用掉HTTP长连接。

默认情况下Tomcat是使用长连接的，如果要关闭长连接，只要将maxKeepAliveRequests设置为1即可。

（3）maxConnections

Tomcat在任意时刻能接收和处理的最大连接数。如果其值被设置为-1，则连接数不受限制。由于Linux的内核默认限制了单进程最大打开文件句柄数为1024，因此，如果此配置项的值超过1024，则相应的需要对Linux系统的单进程最大打开文件句柄数限制进行修改。

以上是对Tomcat的HTTP长连接配置选项的介绍。总的来说，使用长连接能提高服务性能，不过，如果使用不当，也会带来一些不利的结果。

使用长连接意味着，一个TCP连接在当前请求结束后，如果没有新的请求到来， Socket连接不会立马释放，而是等keepAliveTimeout到期之后才被释放，如果一个高负载的 Tomcat服务器建立的很多长连接，将无法继续建立新的连接，无法为新的客户端提供服务。所以，对于Tomcat长连接的配置需要慎重，错误的参数可能导致严重的性能问题，需要根据具体的负载，配置合适的KeepAliveTimeout和MaxKeepAliveRequests的选项值。

2. 内嵌式部署 Tomcat 的长连接配置

针对于细分场景二中的内嵌式Tomcat，其长连接配置可以通过一个自动配置类完成。在自动配置类中，可以配置一个TomcatServletWebServerFactory容器工厂Bean实例， SpringBoot将通过该工厂实例，在运行时获取内嵌式Tomcat容器实例。在容器工厂配置代码中，可以对Tomcat的Connector的三个长连接相关属性进行具体的配置。

一段简单的定制化TomcatServletWebServerFactory容器工厂的配置代码大致如下：

package com.crazymaker.springcloud.standard.config;

//....省略 import
@Configuration
@ConditionalOnClass({Connector.class})
public class TomcatConfig<HttpConnectionProperties> {
    @Autowired
    private HttpConnectionProperties httpConnectionProperties;

    @Bean
    public TomcatServletWebServerFactory
    createEmbeddedServletContainerFactory() {
        TomcatServletWebServerFactory tomcatFactory =
                new TomcatServletWebServerFactory();

        //增加连接器的定制配置
        tomcatFactory.addConnectorCustomizers(connector -> {
            Http11NioProtocol protocol =
                    (Http11NioProtocol) connector.getProtocolHandler();
            // 定制 keepAliveTimeout，确定下次请求过来之前 Socket 连接保持多久
            // 设置 600 秒内没有请求则服务端自动断开 socket 连接
            protocol.setKeepAliveTimeout(600000);
            // 当客户端发送超过 10000 个请求,强制关闭掉 socket 连接
            protocol.setMaxKeepAliveRequests(1000);

            //设置最大连接数
            protocol.setMaxConnections(3000);
            //...省略其他配置
        });
        return tomcatFactory;
    }
}

以上示例是SpringBoot2.0.8中的内嵌式Tomcat长连接配置，具体的三个配置选项的语义和独立Tomcat的配置是相同的，仅仅是形式上的不同。

2.2 Nginx承担服务端角色时的长连接设置

无论在传统的Nginx+Tomcat架构中，还是在目前主流的Nginx+SpringCloud架构中，反向代理Nginx都承担了两种角色：对于下游客户端来说Nginx承担了服务端角色，对于上游的WEB服务来说Nginx承担了客户端角色。Nginx承担的两种角色，具体如下图所示：

Nginx承担服务端角色时的长连接，主要通过keepalive_timeout和keepalive_requests两个指令完成相关设置。一段简单的Nginx承担服务端角色时的长连接配置代码，大致如下

#...
http{
    include mime.types;
    default_type application/octet-stream;
    #长连接保持时长
    keepalive_timeout 65s;
    #长连接最大处理请求数 
    keepalive_requests 1000;
    #...
    server{
        listen 80;
        server_name openresty localhost;
        #长连接保持时长
        keepalive_timeout 10s;
        #长连接最大处理请求数
        keepalive_requests 10;
        location/{  
            root html;
            index index.html index.htm;
        }
        #...
    }
}

对以上配置代码中涉及的两个长连接相关指令，具体介绍如下：

（1） keepalive_requests

此指令设置同一个长连接可以处理的最大请求数，请求数超过此值，长连接将关闭。其格式如下：

语法：keepalive_requests number

默认值：keepalive_requests 100

上下文：http、server、location

keepalive_requests指令用于设置一个长连接上可以服务的最大请求数量，当最大请求数量达到时，长连接将被关闭，Nginx中其默认值是100。一个长连接建立之后，Nginx就会为这个连接设置一个计数器，记录这个长连接上已经接收并处理的客户端请求的数量。如果达到这个参数设置的最大值时，则Nginx会强行关闭这个长连接，逼迫客户端不得不重新建立新的长连接。

（2）keepalive_timeout

此指令用于设置长连接的空闲保持时长，表示在下次请求过来之前，该连接将被Nginx 保持多久。在keepalive_timeout时间范围内，假如客户端不断有新的请求过来，则该连接将一直被保持。

语法：keepalive_timeout timeout [header_timeout];

默认值：keepalive_timeout 60s;

上下文：http、server、location

keepalive_timeout指令的第一个参数，用于设置客户端的长连接在服务器端保持的最长时间（默认60秒），如果值设置为0，会禁用HTTP长连接。对于一些并发量较高的内部服务器通讯的场景，其值可以适当加大，比如增加到120秒甚至300秒。

keepalive_timeout指令的第二个参数，是一个可选参数，其作用为HTTP响应报文增加一个“Keep-Alive: timeout=time”头部选项，用于告知客户端长连接的保持时间，通常可以不用设置。该响应头可以被Mozilla 浏览器识别和处理，Mozilla浏览器会在timeout空闲时间之后，关闭TCP长连接；而MSIE浏览器则在大约60秒后会关闭长连接。

2.3 服务端长连接设置的注意事项

在进行服务端长连接设置时，keepalive_timeout和keepalive_requests的值，并不是越大越好，而是要根据具体场景而定。

场景一：单个客户端的 HTTP 请求数较少时

比如在客户端是普通用户时，客户端是网页浏览器，当用户通过浏览器在访问服务端时，其单个用户的请求数是比较有限的，1分钟之内所发出的请求数之多在百位数左右。在这种场景下，如果Nginx的服务端长连接设置如下：

#长连接保持时长
keepalive_timeout 65s;
#长连接最大处理请求数
keepalive_requests 1000;

上述设置会导致大量的长连接由于请求数达不到1000，一直在空闲等待，需要等到65秒结束之后才被关闭，造成服务器资源的浪费。所以，需要减少长连接最大处理请求数和长连接保持时长，初步优化后的配置大致如下：

#长连接保持时长
keepalive_timeout 10s;
#长连接最大处理请求数
keepalive_requests 100;

但是，如果配置得极端，将长连接最大处理请求数减小得太多，可能会导致另外的问题。比如，将长连接最大处理请求数减到10，其配置如下：

#长连接保持时长
keepalive_timeout 10s;
#长连接最大处理请求数
keepalive_requests 10;

当QPS=10000时，假定一共100个用户，单个客户端每秒发出100个请求。由于以上配置中每个连接只能最多处理10次请求，单个客户端每秒发出100个请求相当于每个用户需要10个连接，在总体100个用户的情况下，意味着平均每秒钟就会有1000个长连接将被Nginx主动关闭。在这个情况下，了解前面介绍的TCP连接四次挥手知识的读者就会知道，服务端Nginx就会有大量的TIME_WAIT的Socket连接。

所以，keepalive_requests的值，不能比单个客户端在keepalive_timeout时间范围的实际请求数少太多，如果少太多，在QPS较高的场景，会出现大量连接被服务端主动关闭而出现大量TIME_WAIT连接。

当然，keepalive_requests的值，也不能比单个客户端在keepalive_timeout时间范围实际请求数多太多，这样会导致大量的TCP长连接出现空闲等待。

总体而言，keepalive_requests的值与单客户端在keepalive_timeout时间范围的实际请求数量，要做到基本的匹配。

场景二：单个客户端的请求数较多时

比如在客户端不是普通用户，而是下游的代理服务器。在这种场景下，客户端数量是很少的，而单个客户端与服务器之间的请求数是非常多的。

这种场景的设置比较简单，可以尽可能的对长连接进行复用，keepalive_requests值可以设置偏大，示例的配置如下：

#长连接保持时长
keepalive_timeout 65s;
#长连接最大处理请求数
keepalive_requests 100000;

当然，在此场景中，选项keepalive_timeout可以配置一个较大的值。但是，对于Nginx 来说，不能对单个连接的处理请求数不做限制，必须定期关闭连接，才能释放每个连接的所分配的内存。由于使用过大请求数可能会导致内存占用过度，因此不建议为 keepalive_requests设置太大的值，当然更不能不做keepalive_requests设置。

无论是Nginx、Tomcat还是其他的服务器，有关服务端长连接的设置，其原理是类似的，仅仅是具体参数的命名规则不同，或者是配置形式稍微有点不同。

参考资料：《Java高并发核心编程卷1：NIO、Netty、Redis、ZooKeeper》

今天的文章简述HTTP协议的工作原理_https与http区别分享到此就结束了，感谢您的阅读。

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