HTTP协议之编写简单的Web服务器 http协议设计

zhezhongyun 2024-12-29 07:15 45 浏览

HTTP即超文本传输协议（Hypertext Transfer Protocol），是Web通信所使用的协议。它是基于TCP/IP实现的协议，所以需要先了解TCP通信，本篇将使用TCP来写一个简单的Web服务器端，它可以响应浏览器的访问。

通信需要服务端和客户端，在这里浏览器就属于客户端，当访问一个网页时，浏览器内部会创建套接字和服务器进行通信。服务器会响应请求返回一些HTML格式的数据给浏览器，浏览器来把这些HTML数据解析成我们看到的漂亮的页面。

当我们在浏览器的地址栏上敲下一个域名地址后，浏览器会先通过默认DNS服务器获取该域名对应的IP地址，然后向服务器发送请求，请求有一定的标准，分为：

请求行
消息头
空行
消息体

现在来随便访问一个网址，这里使用的是firefox浏览器，按Ctrl+Shift+E可以查看网络请求：

左边对应的是浏览器对服务器发出的请求，右边对应的是该条请求相关的信息。

我们先看左边的第一条，这里的请求方式是GET，表示想从服务器获取文件，获取的文件目录是/。然后服务器响应请求，发回了状态码302，表示Found重定向，我们本来访问的是www.bing.com，现在被重定向到了https://cn.bing.com/。这个重定向地址是通过响应头的location指定的，可以在右边看到。

https是加了SSL/TLS的协议，在需要安全的环境下，比如发送银行卡，身份信息等地方都会使用。只使用http这些信息很容易被窃听，SSL/TLS会对请求和响应的信息进行加密解密操作，保证数据安全。

接着同样是一些GET请求用于从服务器获取数据，状态码200 OK表示请求已经成功。还有常见的404 Not Found，表示找不到客户端请求的资源，这种情况就把链接转移到404错误页。现在来把对应的请求整理如下：

请求行：
GET?/?HTTP/2.0

消息头：
Accept:text/html,application/xhtml+xm…plication/xml;q=0.9,*/*;q=0.8
Accept-Encoding:gzip,?deflate,?br
Accept-Language:zh-CN,zh;q=0.8,zh-TW;q=0.7,zh-HK;q=0.5,en-US;q=0.3,en;q=0.2
Connection:keep-alive
Cookie:_EDGE_V=1;?MUID=3802FC7ABA5D6F…ndefined;?_UR=OMD=13190641321
Host:cn.bing.com
Upgrade-Insecure-Requests:1
User-Agent:Mozilla/5.0?(Windows?NT?10.0;?…)?Gecko/20100101?Firefox/64.0

空行：

消息体：

请求行为一行数据，其中包含着请求方式，请求文件，HTTP版本。

这里的请求方式为GET。文件为/，表示根目录，这种情况一般都会被重定向到别的页面上，一般好多服务器都会自动检查有没有index.html/index.php/…等等，发现有就转到这些页面。最后是使用的HTTP版本，为2.0版本。

主要来看消息头。

Accept：表示客户端可以处理的文件类型
Accept-Encoding：表示客户端能理解的内容的编码方式
Accept-Language：表示支持的语言,比如此处支持中文，英文等等
Connection：这个决定着当前事务完成后，是否会关闭网络连接。此处指定为keep-alive，表示持久，不会关闭。指定close会关闭。
Cookie：由于服务器响应客户端的请求后，需要断开连接去接收下一个请求，所以服务端无法记住客户端的状态，哪怕下一次再连接服务器也无法辩认为原先访问的。所以就有了Cookie，当客户端连接后服务器可以通过Set-Cookie给客户端设置一些信息，第二次连接时这个Cookie就包含的有服务器给此客户端设置的Cookie值，这样服务器就能识别客户端了。例如那些密码记录，购物车清单啊，都有用到。
Host：表示主机域名
Upgrade-Insercure-Request：表示客户端优先选择加密及带有身份验证的响应，并且它可以成功处理 upgrade-insecure-requests CSP 指令。
user-Agent：用户代理，包含着我们访问所使用的应用类型，操作系统，版本号等等信息。

空行是为了区分前面的信息和消息体的，消息体是在POST请求时提交给服务器的，此处没有POST请求，所以也就没有消息体了。

现在来看响应消息的格式：

状态行
消息头
空行
消息体

把响应的内容整理如下：

状态行：
HTTP/2.0?200?OK

消息头：
cache-control:private,?max-age=0
content-encoding:br
content-type:text/html;?charset=utf-8
date:Sun,?30?Dec?2018?11:11:10?GMT
p3p:CP="NON?UNI?COM?NAV?STA?LOC?CURa?DEVa?PSAa?PSDa?OUR?IND"
set-cookie:SNRHOP=I=&TS=;?domain=.bing.com;?path=/
strict-transport-security:max-age=31536000;?includeSubDomains;?preload
vary:Accept-Encoding
X-Firefox-Spdy:h2
x-msedge-ref:Ref?A:?7F437C20D4F049CB86705CA…6?Ref?C:?2018-12-30T11:11:10Z

空行：

消息体：
<html>
....
</html>

第一行用于表示状态行，为HTTP版本 + 状态码。

在消息头中设置了内容编码，类型，日期，cookie等等信息，这里就不细说了。服务器需要向客户端返回数据，这里的数据就在消息体中进行发送的，这里返回了主页的html数据。

现在对这些基本知识有了了解，就可以来完成一个简单的Web服务器。

先创建一个WebServer类，作为网络服务器：

#pragma?once
#include?<string>
#include?<WinSock2.h>
#pragma?comment(lib,?"ws2_32.lib")

class?WebServer
{
public:
????WebServer();
????~WebServer();
????void?RespondRequest();??//响应请求

private:
????void?InitSock();??//初始化Socket
????void?RequestHandler();??//处理请求的线程
????void?SendData(const?std::string&?ct,?const?std::string&?fileName);??//发送数据
????void?SendNotFound();??//找不到指定文件时，发送404?Not?Found页面

private:
????WSADATA?m_wsaData;
????SOCKET?m_servSock,?m_clntSock;
????SOCKADDR_IN?m_servAddr,?m_clntAddr;
};

关于TCP的东西就不再多说了，相信大家已经很熟悉了。这里只需开放一个接口供用户调用，其它由我们内部使用。

在实现文件中，还需要包含以下文件：

#include?"WebServer.h"
#include?<iostream>
#include?<cassert>??//断言
#include?<future>??//线程用
#include?<fstream>??//文件操作用
#pragma?warning(disable:4996)??//忽略一些警告

const?int?CONTENT_SIZE?=?2048;??//内容大小
const?int?BUF_SIZE?=?100;??//缓冲区大小

先来看InitSock()函数，在这里就是TCP的一些绑定，监听操作：

void?WebServer::InitSock()
{
????//初始化Winsock库
  	int ret = WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &m_wsaData);
????assert(ret?==?0);

????//创建服务器套接字
????m_servSock?=?socket(PF_INET,?SOCK_STREAM,?0);

????//设置地址信息
????memset(&m_servAddr,?0,?sizeof(m_servAddr));
????m_servAddr.sin_family?=?AF_INET;
????m_servAddr.sin_addr.S_un.S_addr?=?htonl(INADDR_ANY);
????m_servAddr.sin_port?=?htons(8000);

????//绑定地址信息
  	ret = bind(m_servSock, (SOCKADDR *)&m_servAddr, sizeof(m_servAddr));
????assert(ret ?!=?SOCKET_ERROR);
???
  	//监听
  	ret = listen(m_servSock, 5);
????assert(ret?!=?SOCKET_ERROR);
}

初始化信息在构造函数中调用：

WebServer::WebServer()
{
????InitSock();
}

同时需要在析构函数中关闭释放：

WebServer::~WebServer()
{
????closesocket(m_servSock);
????WSACleanup();
}

大家可能发现这里只关闭了服务器套接字，这是因为前面说过，HTTP是无状态的，它响应了一个客户端后就会断开来响应别的请求，所以这里不需要关闭，而是在响应的函数中关闭。

现在来看响应请求的函数RespondRequest():

void?WebServer::RespondRequest()
{
????for?(;;)
????{
????????int?nClntAddrSize?=?sizeof(m_clntAddr);
????????//接收客户端连接
????????m_clntSock?=?accept(m_servSock,?(SOCKADDR?*)&m_clntAddr,?&nClntAddrSize);

????????//获取客户端信息
????????char*?szClntAddr?=?inet_ntoa(m_clntAddr.sin_addr);
????????int?nClntPort?=?ntohs(m_clntAddr.sin_port);

????????//打印信息
????????char?szBuf[BUF_SIZE]?=?{?0?};
????????snprintf(szBuf,?BUF_SIZE,?"Connection?Request:?%s?%d",?szClntAddr,?nClntPort);
????????std::cout?<<?szBuf?<<?std::endl;

????????//开启线程，发送数据
????????auto?fu?=?std::async(std::launch::async,?std::bind(&WebServer::RequestHandler,?this));
????}
}

这里一直循环着来接收客户端的请求，当有客户端连接后，读取客户端的地址和端口关打印出来。关于发送数据专门开启一个线程交给RequestHandler处理，因为类成员函数其实都隐含了一个this指针，所以还得传入this，这里的std::bind会把成员函数和this绑定起来，返回一个函数对象。

接着来看处理数据的线程函数：

void?WebServer::RequestHandler()
{
????char?szContent[CONTENT_SIZE]?=?{?0?};????//接收到的内容
????recv(m_clntSock,?szContent,?CONTENT_SIZE,?0);??//接收

????//打印接收到的内容
????std::cout?<<?"-------------------\n"?<<?szContent?<<?std::endl;

????std::string?content(szContent);
????//检测是否使用的是HTTP协议
????int?protocol?=?content.find("HTTP/");
????if?(protocol?==?std::string::npos)
????{
????????std::cerr?<<?"Error?Request!"?<<?std::endl;
????????closesocket(m_clntSock);
????????return;
????}


????int?loc?=?content.find_first_of("/");
????std::string?method?=?content.substr(0,?loc);??//解析请求方式
????std::string?fileName?=?content.substr(loc?+?1,?protocol?-?loc?-?1);??//解析请求文件名
????std::string?contentType;
????loc?=?fileName.find_first_of(".")?+?1;
????std::string?type?=?fileName.substr(loc);
????//解析类型
????if?(type.compare("html?")?==?0?||?type.compare("htm?")?==?0)
????????contentType?=?"text/html";??//html格式
????else?
????????contentType?=?"text/plain";??//纯文本格式

????SendData(contentType,?fileName);??//发送数据
}

可以先测试下能否收到客户端的请求，前面指定的端口为8000，所以使用浏览器访问localhost:8000，接收到的数据如图：

当成功等到这些信息后，需要解析出它的请求方式，请求文件名，通过请求文件名再判断出请求类型，若是html，请求类型则为text/html。若不是，设置为text/plain。当给服务器返回时若是text/plain，服务器就会把收到的内容当作文本显示出来，若是html，则会是解析出显示。

再来看发送数据之前，首先来新建两个HTML文件，一个为正常请求的文件index.html，一个为失踪网页404.html，并将它们放到工程目录下。

<!--?index.html?-->
<html>
<head>
????<title>My?Web?Server</title>
</head>
<body?style="background:#0f0;">
????<div?style="text-align:center;?font-size:50px;?margin-top:300px"?>Request?Successful!</div>
</body>
</html>

<!-- 404.html -->
<html>
<head>
????<title>Not?Found</title>
</head>
<body?style="background:#f00;">
????<div?style="text-align:center;?font-size:100px;?margin-top:300px">404!</div>
????<div?style="text-align:center;?font-size:50px;"?>Oops!?That?page?can't?be?found.</div>
</body>
</html>

然后继续来看发送数据：

void?WebServer::SendData(const?std::string&?ct,?const?std::string&?fileName)
{
????std::string?protocol????=?"HTTP/1.0?200?OK\r\n";??//状态行
????std::string?servName????=?"Server:My?Web?Server\r\n";??//服务器名称
????std::string?contentLen??=?"Content-length:2048\r\n";??//内容长度
????std::string?contentType?=?"Content-type:"?+?ct?+?"\r\n\r\n";??//内容类型

????//打开请求的文件
????std::ifstream?sendFile(fileName);
????if?(!sendFile.is_open())
????{
????????//打开失败，说明当前路径无此文件，发送Not?Found
????????SendNotFound();
????????return;
????}

????//发送状态行，消息头
????send(m_clntSock,?protocol.c_str(),?protocol.size(),?0);
????send(m_clntSock,?servName.c_str(),?servName.size(),?0);
????send(m_clntSock,?contentLen.c_str(),?contentLen.size(),?0);
????send(m_clntSock,?contentType.c_str(),?contentType.size(),?0);

????//发送消息体
????char?buf[CONTENT_SIZE]?=?{?0?};
????sendFile.getline(buf,?CONTENT_SIZE);
????for?(;?!sendFile.eof();)
????{
????????send(m_clntSock,?buf,?strlen(buf),?0);
????????sendFile.getline(buf,?CONTENT_SIZE);
????}

????sendFile.close();
????closesocket(m_clntSock);??//由HTTP协议响应后断开连接
}

开始先组织一下状态行和消息头，因为客户端请求为HTTP/1.0，所以我们也使用HTTP/1.0，状态设置为200 OK，表示成功。接着设置了服务器名，返回的内容长度，内容类型，需要注意的是在内容类型后有两个\r\n，后一个代表着空行，若是忘记了，客户端就识别不了你返回的消息体了。

接着，在目录中读取请求文件，若是读取失败，则表示请求文件不存在，那就返回404了。若存在，便将文件读取出来发送给客户端，这些内容就是消息体。

最后，需要断开与客户端的连接，继续接收其它请求，所以说HTTP协议是无状态的协议。

最后剩一个404页面，操作和发送数据就没什么两样，便不细说：

void?WebServer::SendNotFound()
{
????std::string?protocol????=?"HTTP/1.0?404?Not?Found\r\n";
????std::string?servName????=?"Server:My?Web?Server\r\n";
????std::string?contentLen??=?"Content-length:2048\r\n";
????std::string?contentType?=?"Content-type:text/html\r\n\r\n";
????std::ifstream?sendFile("404.html");
????if?(!sendFile.is_open())
????{
????????std::cout?<<?"Not?found?404.html"?<<?std::endl;
????????return;
????}

????//发送状态行，消息头
????send(m_clntSock,?protocol.c_str(),?protocol.size(),?0);
????send(m_clntSock,?servName.c_str(),?servName.size(),?0);
????send(m_clntSock,?contentLen.c_str(),?contentLen.size(),?0);
????send(m_clntSock,?contentType.c_str(),?contentType.size(),?0);

????char?buf[CONTENT_SIZE]?=?{?0?};
????sendFile.getline(buf,?CONTENT_SIZE);
????for?(;?!sendFile.eof();)
????{
????????//发送文件
????????send(m_clntSock,?buf,?strlen(buf),?0);
????????sendFile.getline(buf,?CONTENT_SIZE);
????}

????sendFile.close();
????closesocket(m_clntSock);
}

不同之处在于状态行得设置为404 Not Found。

现在在main中调用：

#include?"WebServer.h"

int?main()
{
????WebServer?webServ;
????webServ.RespondRequest();

????return?0;
}

运行程序，当浏览器访问localhost:8000/index.html时：

当访问其它任何页面时：

当然，懂了HTTP协议后，我们也可以作为客户端去访问各种网页，关于这个后面准备写一个C++的网络爬虫。不过之前准备先把SMTP，select，重叠IO，IOCP，boost::asio，regex等等写了再去写，所以就都是明年的事了。：）

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