HTTP协议详解 - 通过C++实现HTTP服务剖析HTTP协议

news2024/9/27 17:27:31

前言

  • C/C++程序员一般很少会接触到HTTP服务端的东西，所以对HTTP的理解一般停留在理论。 本文章实现通过C++实现了一个http服务，可以通过代码对HTTP协议有更深的理解，并且通过抓包工具对HTTP协议进行更为详细的分析。

HTTP协议简介

  • HTTP(hypertext transport protocol 超文本传输协议）：一种无状态的，以请求/应答方式运行的协议，它使用可扩展的语义和自描述消息格式，与基于网络的超文本信息系统灵活的互动。

HTTP报文格式

  • 请求报文：由请求行，头部字段集合，消息正文三大部分组成。
    请添加图片描述

    • 请求行：描述请求的基本信息

      • 请求方法
        • 请求方法说明
          GET请求服务器发送某个资源
          POST用来传输实体的主体
          PUT用来传输文件
          HEAD获取报文首部，用于确认URI的有效性及资源更新的日期时间等
          DELETE删除文件
          OPTIONS查询针对请求URI指定的资源支持的方法
          TRACE用于追踪路径
          CONNECT要求与代理服务器通信时建立隧道，实现用隧道协议进行TCP通信
      • URI：统一资源标识符(Uniform Resource Identifier)
      • HTTP版本
        • HTTP版本说明
          HTTP/0.91991年制定，只支持GET方法
          HTTP/1.01996年诞生，增加了POST，HEAD方法
          HTTP/1.11999年发布并成为标准，增加了PUT方法，并允许持久连接

    • 头部字段集合：使用key-value形式更详细地说明报文。主要分为四类：通用首部，请求首部，响应首部，实体首部

      • 通用首部：提供与报文相关的基本信息。既可以出现在请求报文中，也可以出现在响应报文中。
        • 首部字段名说明
          CacheControl控制缓存的行为
          Connection允许客户端和服务端指定与请求/响应连接有关的选项
          Date创建报文的日期时间
          Pragma另一种随报文传送指示的方式，但并不专用于缓存
          Transfer-Encoding告知接收端为了保证报文的可靠传输，对报文采用了什么编码方式
          Trailer报文末端的首部一览
          Update给出了发送端可能想要"升级"使用的新版本或协议
          Via显示了报文经过的中间节点(代理，网关)
      • 请求首部：只在请求报文中有意义的首部。用于说明是谁或什么在发送请求，请求源自何处，或者客户端的喜好和及能力
        • 首部字段名说明
          Accept告诉服务器能够发送哪些媒体类型
          Accept-Charset告诉服务器能够发送哪些字符集
          Accept-Encoding告诉服务器能够发送哪些编码方式
          Accept-Language告诉服务器能够发送哪些语言
          Authorization包含了客户端提供给服务器，以便对其自身进行认证的数据
          From提供了客户端用户的E-mail地址
          Host给出了接收请求的服务器的主机名和端口号
          If-Match如果实体标记与文档当前的实体标记相匹配，就获取这份文档
          If-Modified-Since除非在某个指定的日期之后资源被修改过，否则就限制这个请求
          If-None-Match如果提供的实体标记与当前文档的实体标记不相符，就获取文档
          If-Range允许对文档的某个范围进行条件请求
          If-Unmodified-Since除非在某个指定日期之后资源没有被修改过，否则就限制这个请求
          Max-Forward将请求转发给其他代理或网关的最大次数
          Proxy-Authorization与Authorization首部相同，但这个首部实在与代理进行认证时使用
          Range如果服务器支持范围请求，就请求资源的指定范围
          Referer提供包含当前请求URI的文档的URL
          TE告诉服务器可以使用哪些扩展传输编码
          User-Agent将发起请求的应用程序名称告知服务器
      • 实体首部：提供有关实体及其内容得到大量信息
        • 首部字段名说明
          Allow资源可支持的HTTP方法
          Content-Encoding实体主体适用的编码方式
          Content-Language实体主体的自然语言
          Content-Length实体主体的大小(单位:字节)
          Content-Location替代对应资源的URI
          Content-MD5实体主体的报文摘要
          Content-Range实体主体的位置范围
          Content-Type实体主体的媒体类型
          Expires实体主体过期的日期时间
          Last-Modified资源的最后修改日期

    • 消息正文：实际传输的数据，可以是纯文本，也可以是图片、视频等二进制数据

  • 响应报文：由响应行，头部字段集合，消息正文三大部分组成。
    请添加图片描述

    • 响应行：描述响应的基本信息
      • HTTP版本：上面已经介绍过了
      • 状态码：状态码的职责是当客户端向服务端发送请求时，描述返回的请求结果
        • 状态码类别原因短语
          1XX信息性状态码接收的请求正在处理
          2XX成功状态码请求正常处理完毕
          3XX重定向状态码需要进行附加操作以完成请求
          4XX客户端错误状态码服务端无法处理请求
          5XX服务端错误状态码服务器处理请求出错
        • 常用的错误码主要有14种
        • 错误码错误码描述详细描述
          200OK表示从客户端发来的请求在服务端被正常处理了
          204No Content无内容。服务器成功处理，但未返回内容
          206Partial Content部分内容。服务器成功处理了部分GET请求
          301Moved Permanently永久重定向，意思是本地请求的资源以及不存在，使用新的URI再次访问
          302Found临时重定向，临时则所请求的资源暂时还在，但是目前需要用另一个URI访问
          303See Other与301类似，使用GET和POST请求查看
          304Not Modified运用于缓存控制。它用于 If-Modified-Since 等条件请求，表示资源未修改，可以理解成"重定向已到缓存的文件"
          307Temporary Redirect临时重定向，与302类似，使用GET请求重定向
          400Bad Request客户端请求的语法错误，服务器无法理解
          401Unauthorized表示发送的请求需要有通过HTTP认证的认证信息
          403Forbidden这一个是表示服务器禁止访问资源。原因比如涉及到敏感词汇、法律禁止等
          404Not Found服务器无法根据客户端的请求找到资源
          500Internal Server Error服务器内部错误，无法完成请求
          503Service Unavailable表示服务器当前很忙，暂时无法响应服务，我们上网时有时候遇到的"网络服务正忙，请稍后重试"的提示信息就是状态码 503
      • 状态码描述：作为状态码补充，是更详细的解释文字，帮助理解原因
    • 头部字段合集：上面已经介绍过，这里只介绍下响应首部字段
      • 响应首部
        • 首部字段名说明
          Accept-Ranges对此资源来说，服务器可接受的范围类型
          Age响应持续时间
          ETag资源的匹配信息
          Location令客户端重定向至指定URI
          Proxy-Authenticate代码服务器对客户端的认证信息
          Retry-After如果资源不可用，在此日期或时间重试
          Server服务器应用程序软件的名称和版本
          Vary代理服务器缓存的管理信息
          WWW-Authenticate服务器对客户端的认证信息
    • 消息正文

C++实现http服务

  • 我参考TinyHttpd项目，使用C++实现了一个http服务，功能比较简单，目前只支持GET和POST请求。并且也只是对http请求报文进行了解析，然后进行简单回应，未实现其他功能。使用第三方json解析库json11对json报文体进行解析处理。
  • 项目源代码可以从这里下载：项目地址
  • 主要代码 
    •   #include "httpd.h"
  
  void threadFunc(void* arg, int conn){
  	Httpd* httpd = (Httpd*)arg;

  	// 接收http请求
  	char bodyBuf[1024] = {0};
  	int recvSize = recv(conn, bodyBuf, sizeof(bodyBuf), 0);
  	printf("%s\n", bodyBuf);

  	std::string strMethod;
  	std::string strUri;
  	std::string strVersion;
  	std::map<std::string, std::string> requestHead;
  	std::string requestBody;
  	// 解析http请求，包括请求方式(目前只支持GET和POST请求)，URI，http版本
  	httpd->parseHttpRequestInfo(bodyBuf, strMethod, strUri, strVersion);
  	// 解析http请求头
  	httpd->parseHttpRequestHead(bodyBuf, requestHead);
  	//解析http请求体
  	httpd->parseHttpRequestBody(bodyBuf, requestBody);

  	//根据不同请求方式进行响应
  	if(strMethod.compare("GET") == 0){
  		httpd->httpResponseHtml(conn);
  	 }else if(strMethod.compare("POST") == 0){
  		std::string data1;
  		std::string data2;
  		if(httpd->parseBodyJson(requestBody, data1, data2)){
      		httpd->httpResponseJson(conn, data1, data2);
  		}
  	}
  	//关闭套接字
  	close(conn);
  }

  bool Httpd::start(){
  	//定义sockfd
  	int server_sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM, 0);

  	///定义sockaddr_in
  	struct sockaddr_in server_sockaddr;
  	server_sockaddr.sin_family = AF_INET;
  	server_sockaddr.sin_port = htons(4000);
  	server_sockaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

  	//bind，成功返回0，出错返回-1
  	if(bind(server_sockfd,(struct sockaddr *)&server_sockaddr,sizeof(server_sockaddr))==-1){
  		perror("bind");
  		return false;
  	}

  	//listen，成功返回0，出错返回-1
  	if(listen(server_sockfd, 5) == -1){
  		perror("listen");
  		return false;
  	}

  	//客户端套接字
  	char buffer[1024] = {0};
  	struct sockaddr_in client_addr;
  	socklen_t length = sizeof(client_addr);
  	int conn = 0;
  	while(1){
  		//成功返回非负描述字，出错返回-1
  		conn = accept(server_sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &length);
  		if(conn < 0){
      		perror("connect");
      		return false;
  		}

  		//开启线程处理请求
  		std::thread th;
  		th = std::thread(threadFunc, this, conn);
  		th.join();
  	}
  	close(server_sockfd);

  	return true;
  }

  bool Httpd::parseHttpRequestInfo(std::string httpRequest, std::string& method, std::string& uri, std::string& version){
  	int recvSize = httpRequest.size();

  	//查找请求头
  	std::string strRequestHead;
      int pos = httpRequest.find("\r\n");
  	strRequestHead = httpRequest.substr(0, pos);

  	//解析请求类型
  	method = strRequestHead.substr(0, strRequestHead.find(" "));
  	//解析uri
  	uri = strRequestHead.substr(strRequestHead.find(" ") + 1, strRequestHead.find(" ", strRequestHead.find(" ") + 1) - strRequestHead.find(" "));
  	//解析http版本
  	version = strRequestHead.substr(strRequestHead.rfind(" "), strRequestHead.size() - strRequestHead.rfind(" "));
  	return true;
  }


  bool Httpd::parseHttpRequestHead(std::string httpRequest, std::map<std::string, std::string>& requestHead){
  	int recvSize = httpRequest.size();
  	int headPos = httpRequest.find("\r\n");

  	int bodySize = parseBodySize(httpRequest);

  	std::string strRequestH;
  	do{
  		int iPos = httpRequest.find("\r\n", headPos + strlen("\r\n"));
  		strRequestH = httpRequest.substr(headPos, iPos - headPos);
  		if(strRequestH.find(":") != std::string::npos){
      		std::string strKey = strRequestH.substr(0, strRequestH.find(":"));
      		std::string strValue = strRequestH.substr(strRequestH.find(":") + 1, strRequestH.size() - strRequestH.find(":"));
      		requestHead.insert(std::pair<std::string, std::string>(strKey, strValue));
  		}
  		headPos = iPos;
  	} while(headPos < recvSize - bodySize && headPos > 0);

  	return true;
  }

  bool Httpd::parseHttpRequestBody(std::string httpRequest, std::string& requestBody){
  	int recvSize = httpRequest.size();

  	int bodySize = parseBodySize(httpRequest);
  	if(bodySize == 0){
  		return false;
  	}

  	requestBody = httpRequest.substr(recvSize - bodySize, bodySize);
  	return true;
  }

  int Httpd::parseBodySize(std::string httpRequest){
  	std::string strContentLength;
  	int posLengthStart = httpRequest.find("Content-Length: ") + strlen("Content-Length: ");
  	int posLengthEnd = httpRequest.find("\r\n", httpRequest.find("Content-Length: ") + strlen("Content-Length: "));
  	strContentLength =  httpRequest.substr(posLengthStart, posLengthEnd - posLengthStart);
  	return atoi(strContentLength.c_str());
  }
  • 通过代码我们可以看到，其实底层还是TCP编程，只不过TCP通信时，我们是直接拿数据，不用遵守什么规则。但如果要进行HTTP通信，就要遵守人家的规则，按照请求报文的格式去进行解析，才能拿到服务端想要的信息，然后再根据响应报文去组装数据，返回给客户端。

演示

  • POST请求演示，我通过postman演示下post请求，目前实现的功能是将请求数据拼接后返回。
    • postman界面演示
      在这里插入图片描述
    • 服务端打印
      请添加图片描述
  • GET请求演示，直接在浏览器中访问，返回一个html格式的页面
    • 浏览器页面
      在这里插入图片描述
    • 服务端打印
      在这里插入图片描述

抓包分析

  • 下面我们通过wireShark工具抓包分析下http协议的通信过程，发送一个post请求。
    在这里插入图片描述
  • 通过抓包可以看到，在http通信前，先要通过TCP三次握手建立连接，并且一次请求结束后，进行TCP四次挥手断开连接(http协议目前是支持长连接的，也就是建立连接后，可以发送多个http请求，我这里为了分析方便，在发送一次http请求后就关闭了套接字)。
  • 先看下前三行，是TCP建立连接的过程，我在使用wireShark抓包分析TCP协议进行了详细介绍，这里就不再过多阐述了。
  • 第四行开始是http通信，可以看到http请求的所有信息
    在这里插入图片描述
  • 再看第七行，是http服务的响应
    在这里插入图片描述
  • 后面是TCP四次挥手过程，这里也不过多阐述了。

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