浏览器中常见网络协议介绍

发表于 5年以前 | 总阅读数：1700 次

本周五我在公司有一个关于《HTTP 协议》的培训，只有两个小时，估计能讲到的东西不会太多。实际上，浏览器为了完成 WEB 应用的各项功能，需要跟各种网络协议打交道，HTTP 只是其中一种。本文会介绍浏览器中常见的网络协议，以及各种协议之间的关系。

我们经常会听到「TCP/IP 协议」这个名词，从字面上看，有人会认为它专指 TCP 和 IP 两种协议。实际上大多数情况，TCP/IP 协议指的是整个网际协议族（Internet Protocol Suite），是利用 IP 协议进行通讯的其他协议统称。TCP/IP 包含的协议众多，还有一个分层模型。相比较 OSI 模型，TCP/IP 的分层更简单，从下到上分别为：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。

IP（Internet Protocol）属于网络层协议，负责联网主机之间的路由选择和寻址。IPv4 中的 4 指的是 TCP/IP 协议的第 4 个版本，直到这个版本，IP 协议才单独拆出来，所以并没有单独的 IPv1 - IPv3。而 IPv5 分给了一个没什么进展的试验性协议，所以下一个版本的 IP 协议变成了 IPv6。

TCP（Transmission Control Protocol）和 UDP（User Datagram Protocol）是整个 TCP/IP 协议中最重要的两个传输层协议。TCP 是面向连接的、可靠的流协议；UDP 是不具有可靠性的数据报协议。后面可以看到，对可靠性要求比较高的上层协议一般会基于 TCP；而对高速传输和实时性有较高要求的上层协议一般会基于 UDP。

介绍完比较低层的 IP、TCP 和 UDP 之后，下面看几个浏览器中常见的应用层协议。

HTTP 与 WebSocket

HTTP 协议是浏览器需要用到的最重要的网络协议，它包括很多版本，例如最常见的 HTTP/1.1，刚刚发布的 HTTP/2，还有 Google 实现的过渡版本 SPDY 等等。本文不讨论 HTTP 的细节以及各版本之间的差异，只打算列出 HTTP 与其他协议 / 应用之间的关系，见下图：


+-------------+-------------+--------------+

    |     XHR     |     SSE     |      WS      |
    +-------------+-------------+------+       +
    |               HTTP               |       |
    +----------------------------------+-------+
    |                    TLS *                 |
    +------------------------------------------+
    |                    TCP                   |
    +------------------------------------------+
    |                    IP                    |
    +------------------------------------------+

从上图可以看出 HTTP 是在 TCP 之上实现的，所以 HTTP 中并不需要关注数据传输的可靠性，类似于顺序控制、重发这样的机制在传输层已经有了。同时，HTTP 也拥有 TCP 的一些缺点，给 WEB 性能优化带来挑战。

XHR（XmlHTTPRequest）和 SSE（Server-Sent Events）都是浏览器提供的数据交互功能，它们的本质都还是 HTTP。XHR 是 Ajax 技术的核心，大家都很熟，这里略过不讨论；SSE 概念还算新，多说几句。我们知道 HTTP 只能由客户端发起请求，再由服务端响应。SSE 也是这样，只不过服务端会保持住这个 HTTP 连接，多次发送响应，不像平时发送完响应就结束了。实际上，很早之前在 WebIM 中类似的 HTTP 长连接技术就已经很盛行了，有兴趣的同学可以看下这篇八年前的文章：Comet：基于 HTTP 长连接的「服务器推」技术。

既然 XHR 和 SSE 本质都是 HTTP 连接，所以 HTTP 协议中一些常见概念，例如请求方式（GET、POST 等），请求响应头部（Cookie、内容编码、传输编码、缓存等）等等，依然存在。

而 WS（WebSocket）是直接基于 TCP 实现的，HTTP 协议中的那些概念都不复存在。需要注意的是，从前面图表中可以看出，它还是依赖于 HTTP，这是因为 WebSocket 握手利用了 HTTP 的 Upgrade 机制。一旦握手完成，后续数据传输就直接在 TCP 上完成。浏览器中新协议借助 HTTP 作为引导，是一个较为普遍的做法。

TLS（Transport Layer Security，传输层安全），作用是保证数据在传输过程中的完整性和保密性，属于可选项。启用了 TLS 之后，HTTP 协议的 URL 前缀需要由 http:// 改成 https://；WebSocket 协议的 URL 前缀需要由 ws:// 改成 wss://。

DNS

DNS（Domain Name System），就是大家熟知的域名解析服务，提供了从域名到 IP 的转换。浏览器中大部分网络交互都会使用域名，而传输层协议需要的是 IP，所以 DNS 是基础。


+-------------------------------+

    |              DNS              |
    +-------------------------------+
    |      TCP      |      UDP      |
    +---------------+---------------+
    |               IP              |
    +-------------------------------+

DNS 服务默认使用 UDP 协议获得查询结果，通常仅当结果超过 512 字节或者进行 DNS 服务器同步时才会使用 TCP 协议。这是因为 DNS 的使用非常频繁，又是基础，响应速度是优先需要考虑的。使用 UDP 可以满足速度上的要求，但同时也引入了类似于「DNS 缓存投毒」这类问题。

WebRTC

WebRTC（Web Real-Time Communication）出现之前，DNS 几乎是浏览器唯一使用的基于 UDP 的协议。WebRTC 提供的三大功能中，MediaStream 与网络无关，RTCPeerConnection 和 RTCDataChannel 都是基于 UDP，如图：


+-----------------------+-------------------------+

    |   RTCPeerConnection   |      RTCDataChannel     |
    +-----------------------+-------------------------+
    |          SRTP         |           SCTP          |
    +             +---------+-------------------------+
    |             |                DTLS               |
    +-------------+-----------------------------------+
    |                ICE, STUN, TURN                  |
    +-------------------------------------------------+
    |                       UDP                       |
    +-------------------------------------------------+
    |                       IP                        |
    +-------------------------------------------------+

这个图比较复杂，我们从下往上介绍：

ICE（Interactive Connectivity Establishment）框架，作用是在端与端之间建立一条有效的通道，优先直连，其次用 STUN 协商，再不行只能用 TURN 转发：

STUN（Session Traversal Utilities for NAT）协议，解决了三个问题：1）获得外网 IP 和端口；2）在 NAT 中建立路由条目，绑定外网端口，使得到达外网 IP 和端口的入站分组能找到应用程序，不被丢弃；3）定义了一个简单的 keep-alive 机制，保证 NAT 路由条目不会因为超时而被删除。STUN 服务器必须架设在公网上，可以自己搭建，也可以使用第三方提供的公开服务，例如 Google 的「stun:stun.l.google.com:19302」。
TURN（Traversal Using Relays around NAT）协议，依赖外网中继设备在两端之间传递数据。简单说就是通过两端都可以访问的 TURN 服务转发消息，间接把两端连起来。

DTLS（Datagram Transport Layer Security，数据报传输层安全），本质上就是 TLS，只是为了兼容 UDP 的数据报传输而做了一些微小的修改，可以简单把它理解为 UDP 版的 TLS。

再往上就兵分两路，一路的目标是 RTCPeerConnection，负责音频和视频数据通信，对传输速度和实时性有很高的要求，这里又有两个新的协议出现：

SRTP（Secure Real-time Transport Protocol，安全实时传输协议）。WebRTC 中的音频和视频等实时数据都是通过这个协议传输。它是 RTP 协议的安全版。
SRTCP（Secure Real-Time Control Transport Protocol，安全实时控制传输协议）。它会跟踪 SRTP 的运行情况，以便调整每个流的发送速率、编码品质和其他参数。它是 RTCP 协议的安全版。

另一路的目标是 RTCDataChannel，用来在端到端之间传输任意应用数据，SRTP 是专门为传输媒体数据为设计的，不适合传输应用数据，所以这里又需要一个新的协议：

SCTP（Stream Control Transmission Protocol，流控制传输协议）。本身 SCTP 是一个传输层协议，直接运行在 IP 协议之上，与 TCP 和 UDP 类似。但在 WebRTC 这里，SCTP 却运行于 DTLS 之上。SCTP 很好的一点是提供了交付属性选项，使用者可以指定消息是有序还是乱序，是可靠还是部分可靠，部分可靠时还可以指定使用超时重传还是计数重传策略。

QUIC

Google 正在试验一种新的传输层协议：QUIC（Quick UDP Internet Connections），它的本质是基于 UDP 实现 HTTP，相当于之前的 TCP + TLS。从目前的资料来看，QUIC 可以大幅减少建立连接的时间，这是通过简化握手步骤从而减少 RTT（Round- Trip Time）来实现的，类似于 TFO（TCP Fast Open）。有兴趣的同学可以点这个连接围观，据说 Google 自家服务来自 Chrome 的请求中，已经有 50% 使用了 QUIC 协议。

最后表达下对 Google 的佩服。Google 为了优化 WEB 性能，在浏览器（Chrome）、排版引擎（Blink）、JS 引擎（V8）、图片格式（WebP）、传输层协议（TCP 的 TFO，QUIC）、应用层协议（SPDY）以及 HTML5（从 Google Gears 开始）等等方面都做了大量努力，实在是技术型公司典范，叹为观止！