【网络通信与信息安全】之深入分析一个TCP连接可以发多少个HTTP请求相关问题

抛砖引玉

• 曾经有这么一道面试题：从 URL 在浏览器被被输入到页面展现的过程中发生了什么？
• 相信大多数准备过的同学都能回答出来，但是如果继续问：收到的 HTML 如果包含几十个图片标签，这些图片是以什么方式、什么顺序、建立了多少连接、使用什么协议被下载下来的呢？
• 要搞懂这个问题，我们需要先解决下面五个问题：
  • ① 现代浏览器在与服务器建立了一个 TCP 连接后是否会在一个 HTTP 请求完成后断开？什么情况下会断开？
  • ② 一个 TCP 连接可以对应几个 HTTP 请求？
  • ③ 一个 TCP 连接中 HTTP 请求发送可以一起发送么（比如一起发三个请求，再三个响应一起接收）？
  • ④ 为什么有的时候刷新页面不需要重新建立 SSL 连接？
  • ⑤ 浏览器对同一 Host 建立 TCP 连接到数量有没有限制？

逐个击破

一、现代浏览器在与服务器建立了一个 TCP 连接后是否会在一个 HTTP 请求完成后断开？什么情况下会断开？

• 在 HTTP 1.0 中，一个服务器在发送完一个 HTTP 响应后，会断开 TCP 链接。但是这样每次请求都会重新建立和断开 TCP 连接，代价过大。
• 虽然标准中没有设定，某些服务器对 Connection: keep-alive 的 Header 进行了支持。意思是说，完成这个 HTTP 请求之后，不要断开 HTTP 请求使用的 TCP 连接。
• 这样的好处是连接可以被重新使用，之后发送 HTTP 请求的时候不需要重新建立 TCP 连接，以及如果维持连接，那么 SSL 的开销也可以避免，以下两张图片是短时间内两次访问 https://www.github.com 的时间统计；
• 第一次访问，有初始化连接和 SSL 开销，如下所示：

• 第二次初始化连接和 SSL 开销消失了，说明使用的是同一个 TCP 连接：

• 持久连接：既然维持 TCP 连接好处这么多，HTTP 1.1 就把 Connection 头写进标准，并且默认开启持久连接，除非请求中写明 Connection: close，那么浏览器和服务器之间是会维持一段时间的 TCP 连接，不会一个请求结束就断掉。
• 所以第一个问题的答案是：默认情况下建立 TCP 连接不会断开，只有在请求报头中声明 Connection: close 才会在请求完成后关闭连接。

二、一个 TCP 连接可以对应几个 HTTP 请求？

了解了第一个问题之后，其实这个问题已经有了答案，如果维持连接，一个 TCP 连接是可以发送多个 HTTP 请求的。

三、一个 TCP 连接中 HTTP 请求发送可以一起发送么（比如一起发三个请求，再三个响应一起接收）？

• HTTP 1.1 存在一个问题，单个 TCP 连接在同一时刻只能处理一个请求，意思是说：两个请求的生命周期不能重叠，任意两个 HTTP 请求从开始到结束的时间在同一个 TCP 连接里不能重叠。
• 虽然 HTTP 1.1 规范中规定了 Pipelining 来试图解决这个问题，但是这个功能在浏览器中默认是关闭的。
• 先来看一下 Pipelining 是什么，RFC 2616 中规定了：

A client that supports persistent connections MAY "pipeline" its requests (i.e., send multiple requests without waiting for each response). A server MUST send its responses to those requests in the same order that the requests were received. 一个支持持久连接的客户端可以在一个连接中发送多个请求（不需要等待任意请求的响应）。收到请求的服务器必须按照请求收到的顺序发送响应。

  

 

  
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• 至于标准为什么这么设定，我们可以大概推测一个原因：由于 HTTP 1.1 是个文本协议，同时返回的内容也并不能区分对应于哪个发送的请求，所以顺序必须维持一致。比如向服务器发送了两个请求 GET/query?q=A 和 GET/query?q=B，服务器返回了两个结果，浏览器是没有办法根据响应结果来判断响应对应于哪一个请求的。
• Pipelining 这种设想看起来比较美好，但是在实践中会出现许多问题：
  • 一些代理服务器不能正确的处理 HTTP Pipelining。
  • 正确的流水线实现是复杂的。
  • Head-of-line Blocking 连接头阻塞：在建立起一个 TCP 连接之后，假设客户端在这个连接连续向服务器发送了几个请求。按照标准，服务器应该按照收到请求的顺序返回结果，假设服务器在处理首个请求时花费了大量时间，那么后面所有的请求都需要等着首个请求结束才能响应。
• 所以现代浏览器默认是不开启 HTTP Pipelining 的。
• 但是，HTTP2 提供了 Multiplexing 多路传输特性，可以在一个 TCP 连接中同时完成多个 HTTP 请求。至于 Multiplexing 具体怎么实现的就是另一个问题了。我们可以看一下使用 HTTP2 的效果。
• 如下图所示：绿色是发起请求到请求返回的等待时间，蓝色是响应的下载时间，可以看到都是在同一个 Connection，并行完成的：

• 所以这个问题也有了答案：在 HTTP 1.1 存在 Pipelining 技术可以完成这个多个请求同时发送，但是由于浏览器默认关闭，所以可以认为这是不可行的。在 HTTP2 中由于 Multiplexing 特点的存在，多个 HTTP 请求可以在同一个 TCP 连接中并行进行。
• 那么在 HTTP 1.1 时代，浏览器是如何提高页面加载效率的呢？主要有下面两点：
  • 维持和服务器已经建立的 TCP 连接，在同一连接上顺序处理多个请求。
  • 和服务器建立多个 TCP 连接。

四、为什么有的时候刷新页面不需要重新建立 SSL 连接？

• 在第一个问题的讨论中已经有答案了，TCP 连接有的时候会被浏览器和服务端维持一段时间。
• TCP 不需要重新建立，SSL 自然也会用之前的。

五、浏览器对同一 Host 建立 TCP 连接到数量有没有限制？

• 假设我们还处在 HTTP 1.1 时代，那个时候没有多路传输，当浏览器拿到一个有几十张图片的网页该怎么办呢？肯定不能只开一个 TCP 连接顺序下载，那样用户肯定等的很难受，但是如果每个图片都开一个 TCP 连接发 HTTP 请求，那电脑或者服务器都可能受不了，要是有 1000 张图片的话总不能开 1000 个TCP 连接吧，你的电脑同意 NAT 也不一定会同意。
• 所以答案是：有。Chrome 最多允许对同一个 Host 建立六个 TCP 连接。不同的浏览器有一些区别。请参考：Network Issues Guide
• 那么回到最开始的问题，收到的 HTML 如果包含几十个图片标签，这些图片是以什么方式、什么顺序、建立了多少连接、使用什么协议被下载下来的呢？
• 如果图片都是 HTTPS 连接并且在同一个域名下，那么浏览器在 SSL 握手之后会和服务器商量能不能用 HTTP2，如果能的话就使用 Multiplexing 功能在这个连接上进行多路传输。不过也未必会所有挂在这个域名的资源都会使用一个 TCP 连接去获取，但是可以确定的是 Multiplexing 很可能会被用到。
• 如果发现用不了 HTTP2 呢？或者用不了 HTTPS（现实中的 HTTP2 都是在 HTTPS 上实现的，所以也就是只能使用 HTTP 1.1）。
• 那浏览器就会在一个 HOST 上建立多个 TCP 连接，连接数量的最大限制取决于浏览器设置，这些连接会在空闲的时候被浏览器用来发送新的请求，如果所有的连接都正在发送请求呢？那其他的请求就只能等待了。

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