【计算机网络笔记六】应用层（三）HTTP 的 Cookie、缓存控制、代理服务、短连接和长连接

HTTP 的 Cookie

HTTP 的 Cookie 机制要用到两个字段：响应头字段 Set-Cookie 和请求头字段 Cookie。

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Cookie 可以设置多个 key-value 对， 响应头中可以设置多个 Set-Cookie 字段，请求头Cookie后面可以设置多个键值对，用分号隔开：

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Expires 和 Max-Age

Cookie 的有效期可以使用 Expires 和 Max-Age 两个属性来设置。

Expires 表示绝对有效时间，即截止时间，俗称“过期时间”
Max-Age 表示相对有效时间，单位是秒，浏览器用收到报文的时间点加上 Max-Age 就可以得到失效的绝对时间。

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Expires 和 Max-Age 可以同时出现，两者的失效时间可以一致，也可以不一致，但浏览器会优先采用 Max-Age 计算失效期。

Domain 和 Path

我们需要设置 Cookie 的作用域，让浏览器仅发送给特定的服务器和 URL，避免被其他网站盗用。

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“Domain” 和 “Path” 指定了 Cookie 所属的域名和路径，浏览器在发送 Cookie 前会从 URI 中提取出 host 和 path 部分，对比 Cookie 的属性。如果不满足条件，就不会在请求头里发送 Cookie。

HttpOnly

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属性 “HttpOnly” 会告诉浏览器，此 Cookie 只能通过 HTTP 协议传输，禁止其他方式访问，浏览器的 JS 引擎就会禁用 document.cookie 等一切相关的API，防止脚本攻击。

SameSite

另一个属性 “SameSite” 可以防范“跨站请求伪造” （XSRF）攻击，设置成 “SameSite=Strict” 可以严格限定 Cookie 不能随着跳转链接跨站发送，而 “SameSite=Lax” 则略宽松一点，允许 GET/HEAD 等安全方法，但禁止 POST 跨站发送。

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HTTP 的缓存控制

一般的话，浏览器拿到响应内容后，会将响应内容缓存到磁盘文件中。

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至于浏览器是不是直接使用本地磁盘缓存中的内容，取决于缓存策略。浏览器也会有缓存清理策略，定期的清理磁盘中的缓存页面。

缓存策略：no-store

不允许客户端使用缓存，用于某些变化非常频繁的数据，例如秒杀页面。

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缓存策略：max-age

时间的计算起点是响应报文的创建时刻，而不是客户端收到报文的时刻，也就是说包含了在链路传输过程中所有节点所停留的时间。

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服务器标记资源有效期使用的头字段是 “Cache-Control”，里面的值 “max-age=30” 就是资源的有效时间，相当于告诉浏览器，“这个页面只能缓存30秒，之后就算是过期，不能用。”（max-age包括了路上的花费时间，真正的有效时间得减去路上的时间）

缓存策略：服务端 + 客户端一起协调

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客户端发送 Cache-Control: max-age=0，是在告诉服务端，客户端不会使用缓存，但是浏览器的前进后退会用缓存，服务器看到 max-age=0，也就会用一个最新生成的报文回应浏览器。

缓存策略：no-cache

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客户端发送 “Cache-Control:no-cache” 的含义和 “Cache-Control:max-age=0” 基本一样，就看后台的服务器怎么理解，通常两者的效果是相同的。

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服务端发送 “Cache-Control:no-cache” 的意思并不是不允许缓存，而是可以缓存，但在使用之前必须要去服务器验证是否过期，是否有最新的版本。

如何验证缓存是否过期

可以让客户端发送一个 HEAD 请求，服务端通过 Last-Modified 返回修改时间：

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然后客户端与缓存数据比较，如果没有改动就使用缓存，节省网络流量，否则就再发一个 GET 请求，获取最新的版本。但这样的两个请求网络成本太高了。

条件请求

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服务器会将 If-Modified-Since 的值与 Last-Modified 段进行对比。如果相等，则表示未修改，响应 304。

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如果 If-Modified-Since 的值与 Last-Modified 不相等，则表示修改了，响应 200 状态码，并返回数据。

使用 If-Modified-Since 与 Last-Modified 的缺陷：

最低时间单位是秒，如果资源更新的速度是秒以下单位，那么该缓存是不能被使用的
如果文件是通过服务器动态生成的，那么该方法的更新时间永远是生成的时间，尽管文件可能没有变化，所以起不到缓存的作用。

解决方案：Etag & If-None-Match

Etag & If-None-Match

ETag 是“实体标签”（Entity Tag）的缩写，表示资源的一个唯一标识。

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服务端发送响应头中包含 ETag 字段，客户端拿到 ETag 字段值下次请求时，在请求头中用 If-None-Match 字段发送该值，服务端拿到该值和 ETag 进行比较，如果和 ETag 相等，说明资源没有变化，服务端会返回状态码 304，则客户端使用本地磁盘缓存文件。

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如果服务端判断和 Etag 不相等，说明资源发生变化，服务端会返回状态码 200，并在 body 中返回新的资源文件内容。

服务端缓存控制策略和客户端缓存控制策略详细流程图：https://www.processon.com/view/link/62bec42a6376897b9fcfdb47

HTTP 的代理服务

代理（Proxy）是 HTTP 协议中请求方和应答方中间的一个环节，作为“中转站”，既可以转发客户端的请求，也可以转发服务器的应答。

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正向代理

正向代理：靠近客户端，代替客户端向服务器发送请求。

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代理服务器如何进行客户访问控制：

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反向代理

反向代理：靠近服务器端，代替服务器响应客户端的请求。

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反向代理的负载均衡：

反向代理最基本的一个功能是负载均衡。因为在面向客户端时屏蔽了源服务器，客户端看到的只是代理服务器，源服务器究竟有多少台、是哪些 IP 地址都不知道。

于是代理服务器就可以掌握请求分发的“大权”，决定由后面的哪台服务器来响应请求。

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反向代理的其他功能：

① 健康检查：使用“心跳”等机制监控后端服务器，发现有故障就及时“踢出”集群，保证服务高可用；
② 安全防护：保护被代理的后端服务器，限制 IP 地址或流量，抵御网络攻击和过载
③ 加密卸载：对外网使用 SSL/TLS 加密通信认证，而在安全的内网不加密，消除加解密成本；
④ 数据过滤：拦截上下行的数据，任意指定策略修改请求或者响应
⑤ 内容缓存：暂存、复用服务器响应

代理相关的头字段

代理服务器需要用字段 “Via” 标明代理的身份。“Via” 追加的是代理主机名（或者域名）。

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Via 字段只解决了客户端和源服务器判断是否存在代理的问题，还不能知道对方真实信息。

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“X-Forwarded-For” 的字面意思是“为谁而转发”，每经过一个代理节点就会在字段里追加一个 IP 地址，所以，在字段里最左边的 IP 地址就是客户端的地址。
“X-Real-IP” 是另一种获取客户端真实 IP 的手段，它的作用很简单，就是记录客户端 IP 地址，没有中间的代理信息

HTTP 的缓存代理

为了减少服务器的压力，服务端也会有相应的缓存，HTTP 的服务器缓存功能主要由反向代理服务器来实现（即缓存代理）。

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CDN

CDN：内容分发网络，是一种网络应用服务，全称 Content Delivery Network 或 Content Distribution Network，它的主要作用是解决“长距离”上网络访问速度慢的问题。

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① 边缘节点作为缓存代理
② 就近访问

CDN 主要缓存静态资源。“静态资源”：比如图片、音频。“动态资源” 是指数据内容是“动态变化”的，也就是由后台服务计算生成的，每次访问都不一样，比如商品的库存、微博的粉丝数等。

CDN 的原理：

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① 当用户点击网站页面上的内容 URL，经过本地 DNS 系统解析，DNS 系统会最终将域名的解析权交给 CNAME 指向的 CDN 专用 DNS 服务器。
② CDN 的 DNS 服务器将 CDN 的全局负载均衡设备 IP 地址返回本地域名服务器。
③ 本地域名服务器将 CDN 全局负载均衡设备 IP 地址返回给客户端
④ CDN 全局负载均衡设备根据用户 IP 地址，以及用户请求的内容 URL，选择一台用户所属区域的区域负载均衡设备，告诉用户向这台设备发起请求。
⑤ 区域负载均衡设备会为用户选择一台合适的缓存服务器提供服务，选择的依据包括：
根据用户 IP 地址，判断哪一台服务器距用户最近；
根据用户所请求的 URL 中携带的内容名称，判断哪一台服务器上有用户所需内容；
查询各个服务器当前的负载情况，判断哪一台服务器尚有服务能力
⑥ 基于以上这些条件的综合分析之后，区域负载均衡设备会向全局负载均衡设备返回一台缓存服务器的 IP 地址
⑦ 全局负载均衡设备把服务器的 IP 地址返回给用户。
⑧ 用户向缓存服务器发起请求，缓存服务器响应用户请求，将用户所需内容传送到用户终端。如果这台缓存服务器上并没有用户想要的内容，而区域均衡设备依然将它分配给了用户，那么这台服务器就要向它的上一级缓存服务器请求内容，直至追溯到网站的源服务器将内容拉到本地。

简单总结一下就是由 CDN 负载均衡设备返回一台离用户最近的缓存服务器的 IP 地址给用户，如果这台缓存服务器上没有用户需要的内容，则向上一级缓存服务器请求，直到追溯至源服务器将内容拉到本地。

HTTP 的短连接和长连接

短连接

因为客户端与服务器的整个连接过程很短暂，不会与服务器保持长时间的连接状态，所以就被称为短连接。

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短连接的缺点相当严重，因为在 TCP 协议里，建立连接和关闭连接都是非常“昂贵”的操作。

TCP 建立连接要有“三次握手”，发送 3 个数据包，需要 1 个RTT；关闭连接是“四次挥手”，4 个数据包需要 2 个RTT。

长连接

客户端和服务端保持长时间的连接，所以称为长连接。

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成本均摊：既然 TCP 的连接和关闭非常耗时间，那么就把这个时间成本由原来的一个“请求 - 应答”均摊到多个“请求 - 应答”上。

长连接的实现方式：心跳。即在⼀定间隔时间内，使用 TCP 连接发送超短无意义消息来让网关不能将自己定义为「空闲连接」，从而防止网关将自己的连接关闭。

由于长连接对性能的改善效果非常显著，所以在 HTTP/1.1 中的连接都会默认启用长连接。

连接相关的头字段

我们也可以在请求头里明确地要求使用长连接机制，使用的字段是 Connection，值是 “keep-alive” 。

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不过不管客户端是否显式要求长连接，如果服务器支持长连接，它总会在响应报文里放一个 “Connection:keep-alive” 字段，告诉客户端：“我是支持长连接的，接下来就用这个TCP 一直收发数据”。

长连接的缺点

TCP 连接长时间不关闭，服务器必须在内存里保存它的状态，这就占用了服务器的资源。如果有大量的空闲长连接只连不发，就会很快耗尽服务器的资源，导致服务器无法为真正有需要的用户提供服务。

所以，长连接也需要在恰当的时间关闭，不能永远保持与服务器的连接。客户端和服务端都可以使用恰当的方式关闭连接。

客户端主动关闭长连接

在客户端，可以在请求头里加上 “Connection:close” 字段，告诉服务器： “这次通信后就关闭连接”

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服务器看到这个字段，就知道客户端要主动关闭连接，于是在响应报文里也加上这个字段，发送之后就关闭 TCP 连接。

服务端端主动关闭长连接

服务器端通常不会主动关闭连接，但也可以使用一些策略。拿 Nginx 来举例，它有两种方式：

① 使用 “keepalive_timeout” 指令，设置长连接的超时时间，如果在一段时间内连接上没有任何数据收发就主动断开连接，避免空闲连接占用系统资源。
② 使用 “keepalive_requests” 指令，设置长连接上可发送的最大请求次数。比如设置成 1000，那么当 Nginx 在这个连接上处理了 1000 个请求后，也会主动断开连接。

队头阻塞

如果队首的请求因为处理的太慢耽误了时间，那么队列里后面的所有请求也不得不跟着一起等待，这个问题就是队首阻塞。

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如何解决队头阻塞问题？

并发连接 + 域名分片
“并发连接” (concurrent connections) ：也就是一个浏览器进程同时对一个域名发起多个长连接

注：HTTP 协议和浏览器限制对一个域名的并发连接数量为 6 ~ 8 个。
域名分片：服务端使用多个不同的域名指向同一个 IP，可以减少服务器压力。

一般公司使用多个不同的域名可以指向同一个 IP，每个域名可以支持 6 ~ 8 个长连接，那么 3 个域名可以支持 18 ~ 24 个长连接了。

HTTP 1.1 和 HTTP 1.0 的一些区别

HTTP 1.0 最早在网页中使用是在 1996 年，那个时候只是使用一些较为简单的网页上和网络请求上，而 HTTP 1.1 则在 1999 年才开始广泛应用于现在的各大浏览器网络请求中，同时 HTTP 1.1 也是当前使用最为广泛的 HTTP 协议。主要区别主要体现在：

缓存处理，在 HTTP 1.0 中主要使用 header 里的 If-Modified-Since，Expires 来做为缓存判断的标准，HTTP 1.1 则引入了更多的缓存控制策略例如 Entity tag，If-Unmodified-Since，If-Match，If-None-Match 等更多可供选择的缓存头来控制缓存策略。
带宽优化及网络连接的使用，HTTP 1.0 中，存在一些浪费带宽的现象，例如客户端只是需要某个对象的一部分，而服务器却将整个对象送过来了，并且不支持断点续传功能，HTTP 1.1 则在请求头引入了 range 头域，它允许只请求资源的某个部分，即返回码是 206（Partial Content），这样就方便了开发者自由的选择以便于充分利用带宽和连接。
错误通知的管理，在 HTTP 1.1 中新增了 24 个错误状态响应码，如 409（Conflict）表示请求的资源与资源的当前状态发生冲突；410（Gone）表示服务器上的某个资源被永久性的删除。
Host头必填，在 HTTP 1.0 中认为每台服务器都绑定一个唯一的 IP 地址，因此，请求消息中的 URL 并没有传递主机名（hostname）。但随着虚拟主机技术的发展，在一台物理服务器上可以存在多个虚拟主机（Multi-homed Web Servers），并且它们共享一个 IP 地址。HTTP 1.1 的请求消息和响应消息都应支持 Host 头域，且请求消息中如果没有 Host 头域会报告一个错误（400 Bad Request）。
默认开启长连接，HTTP 1.1 支持长连接（PersistentConnection）和请求的流水线（Pipelining）处理，在一个 TCP 连接上可以传送多个 HTTP 请求和响应，减少了建立和关闭连接的消耗和延迟，在 HTTP 1.1 中默认开启 Connection:keep-alive，一定程度上弥补了 HTTP 1.0 每次请求都要创建连接的缺点。