Go必知必会系列：网络编程与HTTP

作者：禅与计算机程序设计艺术

1.简介

HTTP协议是一个基于TCP/IP协议族的应用程序层协议。HTTP协议用于从WWW服务器传输超文本到本地浏览器的请求，它定义了web客户端如何向web服务器发送请求、web服务器如何响应请求以及浏览器如何显示页面等功能。此外，HTTP协议也是一种可靠的、无状态的协议，也就是说HTTP无处于持久连接状态下。

HTTP协议的主要版本分为1.0（1996）和1.1（1997），1.1版引入了许多新特性，如持久连接和管道机制等。目前绝大多数网站都同时支持HTTP/1.x 和 HTTP/2.0版本。

在编写网络程序时，我们通常会调用系统提供的接口函数或者库函数，例如read(), write()等。这些函数直接访问套接字接口发送或接收数据。但是这样做无法完全控制TCP socket的行为，只能依赖内核提供的默认设置，无法实现更复杂的功能。因此，如果想要实现自定义的功能，就需要自己编写底层网络代码，即网络通信相关的具体细节，比如建立连接、关闭连接、接受连接、读写数据等。而在大多数情况下，只要涉及到网络编程，就一定会用到HTTP协议。因此，了解HTTP协议对于理解网络编程至关重要。

本文将从基础知识入手，主要介绍网络编程中的几个关键点，并结合Go语言相关知识进行详细分析。希望能够帮助读者快速理解和掌握HTTP协议的工作原理。

2.核心概念

2.1 Socket

Socket又称"套接字"，应用程序通常通过"套接字"向网络发出请求或者应答网络请求，使主机间的数据交换可能化，实现不同机器之间的通信。通俗地讲，就是通过特定的协议(如TCP/IP)在网络上进行双向通信的端点。一个进程(应用程)通过一个Socket与另一个进程(服务器)建立链接，就可以通过Socket向服务器发送请求并接收回复信息。Socket由两部分组成：一块内存，供双方通信使用；另一块接口，应用程序可以通过该接口操纵Socket，来实现网络通信。

2.2 IP地址

Internet Protocol Address (IP address) 是指分配给Internet用户设备的地址。IP地址是一个32位数字标识符，用来唯一标识一个网际网络中的计算机。IP地址包括网络号和主机号两部分，网络号标识互联网上的一个子网，主机号则标识在这个子网上的计算机。同一个子网上的计算机具有相同的网络号，但是各自具有不同的主机号。

2.3 TCP/UDP

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）和UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是两种最常用的传输层协议。TCP是面向连接的协议，可以保证数据包按序到达。UDP是无连接的协议，不保证数据包到达顺序和准确性。TCP协议是稳定性高、速度慢的协议，UDP协议则是速度快、可靠性低的协议。

3.核心算法原理

3.1 GET方法

GET方法是HTTP协议中最简单的请求方法。顾名思义，它的作用是在服务器上获取资源。通常的请求语法如下:

GET /path/to/resource?query_string HTTP/1.1\r\nHost: example.com\r\nConnection: keep-alive\r\nCache-Control: max-age=0\r\nUpgrade-Insecure-Requests: 1\r\nUser-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/51.0.2704.103 Safari/537.36\r\nAccept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,image/webp,*/*;q=0.8\r\nAccept-Encoding: gzip, deflate, sdch\r\nAccept-Language: en-US,en;q=0.8\r\nCookie: foo=bar;\r\n\r\n

其中:

• GET：请求类型
• /path/to/resource：请求路径
• ?：查询字符串
• query_string：请求参数
• HTTP/1.1：HTTP协议版本
• \r\n：请求头结束标记
• Host：指定请求主机
• Connection：指定连接方式，一般保持默认值
• Cache-Control：指定缓存方式
• Upgrade-Insecure-Requests：指定是否允许向下不安全请求升级
• User-Agent：指定用户代理
• Accept：指定浏览器支持的MIME类型
• Accept-Encoding：指定浏览器支持的压缩方式
• Accept-Language：指定语言偏好
• Cookie：指定Cookie
• \r\n\r\n：请求体结束标记

3.2 POST方法

POST方法与GET类似，但其一般用于提交表单、上传文件或者其他用户输入数据。POST请求需要在请求体中附带额外的参数，这些参数在服务器端可以解析处理。以下是一个示例的POST请求:

POST /login HTTP/1.1\r\nHost: www.example.com\r\nContent-Type: application/x-www-form-urlencoded\r\nContent-Length: 29\r\n\r\nusername=foo&password=<PASSWORD>

其中:

• POST：请求类型
• /login：请求路径
• HTTP/1.1：HTTP协议版本
• \r\n：请求头结束标记
• Host：指定请求主机
• Content-Type：指定内容类型
• Content-Length：指定内容长度
• \r\n\r\n：请求体结束标记
• username=foo&password=bar：请求参数，=和&分别表示键和值对的分隔符

3.3 HTTP状态码

HTTP状态码（英语：HyperText Transfer Protocol Status Code）是HTTPResponse类别码的三位数字编号，用来描述HTTP请求过程的中间消息。状态码共分为五种类型：

• Informational（1开头，通常不建议处理）：1XX：表示请求已被收到了，继续处理。
• Success（2开头，成功处理）：2XX：表示请求已经成功被服务器接收、理解、并响应。
  • 200 OK：表示请求成功，一般用于GET、HEAD请求。
  • 201 Created：表示请求已经创建完成，通常用于POST请求，当创建一个资源成功时。
  • 202 Accepted：表示请求已经被接受，但尚未处理。
  • 204 No Content：表示请求已成功处理，没有返回任何实体内容。
• Redirection（3开头，需要进一步处理）：3XX：表示需要进行附加操作。
  • 301 Moved Permanently：永久重定向，目标资源已被分配一个新的URL。
  • 302 Found：临时重定向，目标资源临时从不同的URI响应请求。
  • 303 See Other：临时重定向，与302类似，但是期望请求者应该采用不同的方法来进行操作。
  • 304 Not Modified：如果客户端发送了一个带条件的GET请求且该请求命中强制缓存，那么服务端将返回304 Not Modified消息，告诉客户端，资源未修改，仍可以使用之前的缓存。
• Client Error（4开头，客户端错误）：4XX：表示客户端看起来可能发生了一个错误。
  • 400 Bad Request：表示请求出现语法错误，不能被服务器所理解。
  • 401 Unauthorized：表示发送的请求需要有效的授权认证。
  • 403 Forbidden：表示请求不被服务器所允许。
  • 404 Not Found：表示服务器找不到请求的资源。
• Server Error（5开头，服务器错误）：5XX：表示服务器在尝试处理请求过程中发生了错误。
  • 500 Internal Server Error：表示服务器遇到错误，无法完成请求。
  • 501 Not Implemented：表示服务器不支持当前请求所需要的某个功能。
  • 502 Bad Gateway：表示作为网关或者代理工作的服务器尝试执行请求时，从远程服务器接收到了一个无效的响应。
  • 503 Service Unavailable：表示服务器暂时处于超载或正在停机维护，暂时无法处理请求。
  • 504 Gateway Timeout：表示网关超时，无法连接到远程服务器。

4.代码实例

首先，我们创建两个go文件client.go和server.go。然后，我们在client.go中编写一个简单的HTTP客户端，向localhost的8080端口发送一个GET请求。

package main

import (
    "fmt"
    "net/http"
)

func main() {
    resp, err := http.Get("http://localhost:8080/")
    if err!= nil {
        fmt.Println("Error:", err)
        return
    }

    defer resp.Body.Close()

    body, err := ioutil.ReadAll(resp.Body)
    if err!= nil {
        fmt.Println("Error reading response body:", err)
        return
    }

    fmt.Printf("%s", string(body))
}

然后，我们在server.go中编写一个简单的HTTP服务器，监听8080端口，等待来自客户端的请求。当收到请求后，服务器将返回一个字符串“Hello World!”。

package main

import (
    "fmt"
    "log"
    "net/http"
)

func helloHandler(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    fmt.Fprintf(w, "Hello World!")
}

func main() {
    http.HandleFunc("/", helloHandler)
    log.Fatal(http.ListenAndServe(":8080", nil))
}

运行以上代码，在浏览器中打开http://localhost:8080，即可看到Hello World!输出。

5.未来发展趋势与挑战

随着Web技术的发展，HTTP协议也在不断更新迭代，得到越来越多的应用场景和用法。目前HTTP/2.0已经成为主流，而WebSockets、GraphQL、WebRTC、HTTP/3等新技术正在蓬勃发展。

相比于传统的基于TCP/IP协议栈的网络编程，HTTP协议在易用性、开发效率、网络性能等方面都有优势。因此，随着HTTP协议的日渐普及，越来越多的人开始关注和研究它背后的一些设计原理。

除此之外，HTTP协议还有其他很多优点和长处，诸如：

• 可靠性：HTTP协议基于TCP协议实现，提供了一种可靠的、无差错的数据传输。
• 自我描述：HTTP协议的请求和响应报文都是文本形式，可以清楚地看到请求报头和响应报头。
• 支持跨域：HTTP协议支持跨域资源共享（CORS）。
• 可伸缩性：HTTP协议的无状态性使得它天生具备伸缩性。

总的来说，HTTP协议已经成为非常常用的网络协议。未来，HTTP协议也会演变出越来越丰富的功能和应用场景。