HTTP首部Connection实践

引子

在HTTP/1.0 时代，HTTP与TCP默认传输的关系如图1所示，每次HTTP请求和响应都发生一次TCP三次握手和四次挥手。以HTTP/1.0 时代的网络通信量来看，都是些容量很小的文本传输，所以图1的传输方式性能没有较大问题。

图1 HTTP/1.0默认传输过程

可是随着互联网普及，Web网页的图片逐渐多起来。比如，使用浏览器浏览一个包含多张图片的HTML页面时，在发送HTTP请求访问HTML页面资源的同时，也会请求该HTML页面里包含的其他资源，比如图片等静态文件。因此，每次的请求都会造成无谓的TCP连接建立和断开，增加网络通信量的开销，如图2所示。

图2 一个Web页面的多次HTTP请求

为了解决上述问题，HTTP/1.1和一部分的HTTP/1.0想出了持久连接的办法，即只要任意一端没有明确提出断开连接，则保持TCP连接状态，如图3所示。

图3 HTTP持久连接

HTTP持久连接不是绝对高性能

HTTP持久连接允许在事务处理结束之后将TCP连接保持在打开状态，以便为未来的HTTP请求重用现存的连接。在事务处理结束之后仍然保持在打开状态的TCP连接被称为持久连接。持久连接会在不同事务之间保持打开状态，直到客户端或服务器决定将其关闭为止。
优点：重用已对目标服务器打开的空闲持久连接，可以避开缓慢的连接建立阶段，更快速地进行数据的传输。
缺点：管理不当可能会积累出大量的空闲连接，耗费本地客户端以及远程服务器上的资源。
非持久连接会在每个事务处理结束之后关闭。

HTTP持久连接实现手段是HTTP首部添加Connection字段

Connection: keep-alive , 开启HTTP持久连接，HTTP 1.1默认值
Connection: close , 关闭HTTP持久连接，HTTP 1.0默认值

HTTP keep-alive与TCP keep-alive区别

HTTP keep-alive参数为了减少TCP连接和断开而提出的一种解决方案，HTTP持久连接即TCP长连接。
TCP keep-alive参数主要为探测长连接的存活状况，即TCP保活功能。

本文将对HTTP首部Connction实践，对比keep-alive/close两个值在HTTP和TCP的表现情况。后端使用Spring boot+Java，前端使用HTML+CSS。

HTTP Request首部Connection

如果Client希望HTTP使用持久连接，在Request首部指定Connection: keep-alive，否则指定Connection: close。
后端Java代码如下：

package com.demo.web.http;

import org.springframework.stereotype.Controller;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestHeader;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping;

@Controller
@RequestMapping("http")
public class ConnectionController {
    @RequestMapping("/connection")
    public String connection(@RequestHeader(value="Connection") String connection) {
        System.out.println("Connection: " + connection);
        return "http/connection";
    }
}

前端HTML代码：

<!DOCTYPE HTML>
<html>
<head>
    <title>HTTP Connection Demo</title>
    <meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=UTF-8" />
</head>
<body>
<h3>实践HTTP Connection</h3>
<a href="connection">刷新页面</a>
</body>
</html>

后端服务启动端口8080，执行nc 127.0.0.1 8080，输入如下两行命令，两次回车，HTTP Request首部Connection: keep-alive，执行情况如图4第一个红色方框，紧接着返回Web页面，后端日志打印Connection: keep-alive。从图5抓包红色方框看，TCP没有发起四次挥手释放连接，HTTP请求保持TCP长连接。

GET http://127.0.0.1:8080/http/connection HTTP/1.1
Connection: keep-alive

图4 HTTP持久连接请求

图5 HTTP请求tcpdump

再次输入如下两行命令，两次回车，HTTP Request首部Connection: keep-alive，执行情况如图4第二个红色方框，紧接着返回Web页面，后端日志打印Connection: keep-alive。从图5绿色方框看，TCP没有发起四次挥手释放连接，HTTP请求保持TCP长连接。

GET http://127.0.0.1:8080/http/connection HTTP/1.1
Connection: keep-alive

再次输入如下两行命令，两次回车，HTTP Request首部Connection: close，执行情况如图6绿色方框，紧接着返回Web页面，后端日志打印Connection: close。从图5蓝色色方框看，TCP发起四次挥手释放连接，HTTP请求的TCP连接断开。

GET http://127.0.0.1:8080/http/connection HTTP/1.1
Connection: close

图5 HTTP请求

HTTP Response首部Connection

如果Server希望HTTP使用长连接，在Response首部指定Connection: keep-alive，否则指定Connection: close。
后端Java代码如下：

package com.demo.web.http;

import org.springframework.stereotype.Controller;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestHeader;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping;
import javax.servlet.http.HttpServletResponse;

@Controller
@RequestMapping("http")
public class ConnectionController {
    @RequestMapping("/connection")
    public String connection(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response,
                             @RequestHeader(value="Connection") String connection) {
        System.out.println("Connection: " + connection);
        response.addHeader("Connection", "keep-alive");
        return "http/connection";
    }
}

前端HTML代码：

<!DOCTYPE HTML>
<html>
<head>
    <title>HTTP Connection Demo</title>
    <meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=UTF-8" />
</head>
<body>
<h3>实践HTTP Connection</h3>
<a href="connection">刷新页面</a>
</body>
</html>

HTTP/1.1的Request首部Connection默认为keep-alive，当后端返回Response首部Connection: keep-alive，访问http://127.0.0.1:8080/http/connection，如图6所示，点击按钮刷新页面。从图7绿色方框和红色方框看，TCP没有发起四次挥手释放连接，HTTP请求保持TCP长连接。超时后TCP连接会自动断开，从四次挥手的开始时间21:31:40.000676与Web页面请求结束时间21:30:39.945438看，TCP长连接60s超时。

图6 HTTP页面访问

图7 HTTP页面访问tcpdump

HTTP/1.0与HTTP/1.1 首部Connection默认值对比

后端Java代码：

package com.demo.web.http;

import org.springframework.stereotype.Controller;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestHeader;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping;

@Controller
@RequestMapping("http")
public class ConnectionController {
    @RequestMapping("/connection")
    public String connection() {
        return "http/connection";
    }
}

后端服务启动端口8080，执行nc 127.0.0.1 8080，输入如下命令，两次回车，重复执行如下命令，如图8所示，TCP没有发起四次挥手释放连接，HTTP请求保持TCP长连接，所以HTTP/1.1 首部Connection默认值为keep-alive。

GET http://127.0.0.1:8080/http/connection HTTP/1.1

图8 HTTP/1.1持久连接

后端服务启动端口8080，执行nc 127.0.0.1 8080，输入如下命令，两次回车，如图9所示，TCP释放连接，HTTP请求也结束，所以HTTP/1.0 首部Connection默认值为close。

GET http://127.0.0.1:8080/http/connection HTTP/1.0

图9 HTTP 1.0

再进一步，后端服务启动端口8080，执行nc 127.0.0.1 8080，输入如下命令，两次回车，如图9所示，TCP释放连接，HTTP请求也结束，所以HTTP默认使用1.0版本。

GET http://127.0.0.1:8080/http/connection

图10 HTTP默认版本

HTTP持久连接的数据传输完成识别

HTTP首部定义Connection: keep-alive后，客户端、服务端怎么知道本次传输结束呢？两部分：

静态页面通过Content-Length提前告知对方数据传输大小，具体可以参考拙作HTTP Content-Length深入实践。
动态页面不能通过Content-Length提前告知对方数据传输大小，它是分块传输（chunked），这时候就要根据chunked编码来判断，chunked编码的数据在最后有一个空chunked块，表明本次传输数据结束，HTTP头部使用Transfer-Encoding: chunked来代替Content-Length。

HTTP首部Connection实践