1.1　Web應用開發概述

本節將介紹Web應用的基本概念、B/S與C/S架構的差異、B/S架構的工作原理以及HTTP協議。

1.1.1　什么是Web應用

Web應用（Web application），是指那些通過互聯網訪問和交互的軟件應用程序。用戶通常使用網絡瀏覽器作為客戶端來訪問并與這些應用交互。Web應用與傳統的桌面應用不同，它不需要在個人計算機上安裝特定的軟件，只需要一個支持的網頁瀏覽器。它們通過互聯網向用戶提供服務和功能，無論用戶身處何地，都能通過瀏覽器來訪問這些應用。這種開放性、跨平臺性以及無須安裝的特點，讓Web應用在現代社會中扮演著不可或缺的角色。

Web應用之所以能夠如此靈活地為用戶提供服務，要歸功于一種被廣泛采用的架構模式——B/S架構。B/S架構，也稱為瀏覽器/服務器（browser/server）架構，是一種網絡應用程序架構。在B/S架構中，用戶界面和客戶端邏輯大多數情況下都在網絡瀏覽器中實現，而應用服務器則負責處理業務邏輯、數據和存儲。

B/S架構將Web應用的構建分為前端和后端兩個關鍵組成部分，它們各自擔負著不同的任務，共同構筑一個無縫的用戶體驗。

1.前端：用戶交互的界面

前端是用戶直接互動的應用程序部分，即用戶界面。在Web開發中，前端特指在瀏覽器中運行的部分，涵蓋頁面布局、設計和交互性功能。前端的核心任務是通過瀏覽器向用戶展示Web應用的外觀和功能。常用的Web前端技術如下。

　HTML：構建網頁內容的結構。

　CSS：設定網頁的樣式和外觀。

　JavaScript：賦予網頁交互性。

　框架和庫：如React、Angular、Vue.js等，用于開發復雜的前端應用。

前端開發者的職責包括構建用戶友好的界面，確保應用在不同設備和瀏覽器上的兼容性，并優化整體的用戶體驗。

2.后端：數據處理的核心

后端是在服務器上運行的應用程序部分，負責處理業務邏輯和數據操作。在B/S架構中，后端從數據庫檢索數據，執行計算和邏輯處理，然后將結果傳送至前端。后端開發涉及多種編程語言和框架，以便高效處理請求、管理數據，并響應用戶的操作。常用的Web后端技術如下。

　編程語言：如Java、Python、Ruby、Node.js、PHP等。

　數據庫：如MySQL、PostgreSQL、MongoDB等，用于數據存儲。

　服務器：如Apache、Nginx、Tomcat等。

　框架：如Spring Boot（Java），Express.js（Node.js）、Django（Python）等。

后端開發者負責實現業務邏輯，保證數據的安全性和完整性，并構建供前端使用的API（application programming interface，應用程序編程接口）。

3.前后端協作：構建完整的Web應用

在B/S架構中，前端和后端通過HTTP協議通信，API定義了數據交換的方式。前端向后端發送請求以獲取數據，后端處理這些請求并返回處理結果。這種協作機制為用戶提供了豐富的應用功能，同時隱藏了底層技術細節。

如果開發者既懂前端開發，也懂后端開發，可以稱為全棧（full stack）開發，全棧開發者有能力構建整個應用程序，從用戶界面到服務器和數據庫。全棧開發者可以參與項目的整個生命周期，從需求分析、設計、開發到部署和維護。

隨著技術的進步，前端和后端的界限變得越來越模糊。例如，某些前端框架（如Next.js和Nuxt.js）提供后端功能，而某些后端技術（如Node.js）也可用于前端開發。

4.前后端架構分離

前后端分離是現代Web開發的重要趨勢，它強調前端（用戶界面）和后端（服務器邏輯和數據處理）之間的清晰界限。在這種架構下，前端通過API（通常是RESTful API）與后端交互。前端發送API請求，后端處理這些請求并以JSON或XML格式返回數據。這種模式使得一個后端能夠支持多個前端應用（如Web、移動、桌面應用）。

與傳統的靜態網站不同，B/S架構中的Web應用可以動態生成頁面內容。例如，根據用戶的輸入或數據庫中的數據，服務器可以動態地生成HTML頁面，這種方式通常稱為服務端渲染，當然頁面也可以在瀏覽器端根據服務端返回的數據生成，稱為客戶端渲染。

前后端分離還允許不同的開發團隊使用各自的技術棧進行開發，并實現獨立部署。這種獨立性使得前后端可以根據需要進行單獨的擴展，例如，增加后端服務器以應對增加的數據處理需求，而不影響前端。

目前，前后端分離技術主要采用客戶端渲染方法，這一趨勢得益于Ajax技術和現代JavaScript框架（如React、Angular和Vue.js）的發展。這些技術使得B/S架構中的前端和后端可以更加清晰地分離。前后端分離的方法將用戶界面與業務邏輯和數據處理分開，帶來了多種優勢，但同時也面臨如下一些挑戰。

　安全性：API的開放性可能導致新的安全威脅，需要確保API端點的安全。

　CORS：前后端分離可能會遇到CORS（cross origin resource sharing，跨域資源共享）的問題，這需要特別處理，以確保資源的正確共享。

　SEO：傳統的客戶端渲染方法可能對SEO（search engine optimization，搜索引擎優化）產生不利影響。然而，現代的前端框架和工具，如服務器端渲染（SSR），已經可以有效地解決這一問題，提升網頁在搜索引擎中的表現。

1.1.2　B/S架構與C/S架構

C/S（client/server）架構是一種兩層架構，通常也稱作客戶端/服務器架構。在這個架構中，服務器運行服務端程序，而客戶端設備上安裝客戶端軟件。服務端負責后臺業務邏輯和數據處理，而客戶端則處理前端界面和用戶交互。

C/S架構的主要優點是充分利用客戶端PC的處理能力，提高響應速度。然而，這也意味著需要考慮不同操作系統和硬件平臺的兼容性，并且在應用更新時需要逐個更新客戶端軟件。

相比之下，B/S架構特別適用于Web應用程序，如社交媒體、在線購物和博客平臺。這種架構允許用戶通過Web瀏覽器訪問服務器上的功能，無須在本地設備上安裝任何應用程序。

C/S架構和B/S架構的主要特點和差異如表1-1所示。

在選擇這兩種架構時，需要考慮多個因素，如應用的交互性、跨平臺訪問、維護和更新的需求、性能等。最終的選擇通常取決于應用的性質和目標用戶的需求。

例如，對于需要高度交互性和實時性能的應用，如在線游戲和圖形處理應用，C/S架構可能更為合適。而對于需要跨平臺、分布式訪問和實時更新的Web應用，B/S架構更為理想。

1.1.3　B/S架構的工作原理

B/S架構中的數據交互過程開始于用戶在瀏覽器中輸入URL并按下Enter鍵，由此觸發了一系列復雜的步驟。

（1）瀏覽器緩存檢查。瀏覽器會檢查它的緩存中是否有請求的URL的資源（包括頁面、圖片等）。如果存在匹配項且未過期，則瀏覽器可以直接從緩存中加載資源，而無須通過網絡請求。

（2）DNS查詢。如果資源不在緩存中，則瀏覽器會進行DNS查詢，將可讀的域名（如www.example.com）解析為一個IP地址。這通常涉及查詢本地的DNS緩存、操作系統的DNS緩存、路由器的DNS緩存，或者可能是一個遠程的DNS服務器。

（3）建立TCP連接。獲取IP地址后，瀏覽器與目標服務器將建立一個TCP連接，以進行后續的通信。這個過程包括一個稱為三次握手的過程。

（4）發送HTTP請求。TCP連接建立后，瀏覽器會通過這個連接發送一個HTTP請求到服務器。這個請求包括了請求的資源、方法（如GET或POST）和一些其他的頭部信息。

（5）服務器處理。服務器收到HTTP請求后，通常會通過Web服務器軟件（如Apache、Nginx或IIS）進行處理。對于動態內容，如PHP、Python或Node.js腳本，服務器可能會交給相應的處理器進行處理。

（6）服務器響應。服務器處理完成后，會發送一個HTTP響應回到瀏覽器。這個響應包括一個狀態碼（如200 OK、404 Not Found等）、響應頭部信息，以及請求的實際數據或內容。

（7）HTTPS/TLS握手。如果URL的前綴是HTTPS，那么在TCP連接之后和發送HTTP請求之前，瀏覽器和服務器之間會進行TLS握手，以安全地加密和解密傳輸的數據。

（8）渲染頁面。瀏覽器開始解析返回的HTML、CSS和JavaScript。它會構建DOM（文檔對象模型）和CSSOM（CSS對象模型），并執行JavaScript，最后呈現頁面給用戶。

（9）加載其他資源。HTML頁面可能還包含其他資源的引用，如圖片、視頻、CSS文件、JavaScript文件等。瀏覽器會繼續為這些資源發起額外的HTTP請求，并在收到響應數據后進行處理或渲染。

（10）關閉TCP連接。數據傳輸完成后，瀏覽器和服務器會關閉TCP連接。但如果使用了HTTP/2協議，則連接可能會保持開放，用于后續的請求。

1.1.4　HTTP協議

瀏覽器與服務器之間數據的傳輸離不開通信協議，而B/S架構的核心是HTTP協議。HTTP是一種無狀態的請求/響應協議，這意味著每個請求都是獨立的，服務器不會“記住”之前的請求。HTTP有多種請求方法，如GET、POST、PUT、DELETE等，分別支持不同的操作。HTTP響應包括狀態代碼，如200 OK、404 Not Found等，用于表示請求的結果。

理解HTTP的無狀態特性的關鍵點如下。

　獨立的請求：每次HTTP請求都是完整的。從一個請求開始，服務器處理，然后返回響應，這個請求就結束了。服務器不會（基于HTTP協議本身）“記住”這個請求。

　無法記憶：假設你在一個電商網站上登錄并添加了一個商品到購物車，但是當你嘗試去結賬時，如果HTTP是完全無狀態的，則服務器會“忘記”你是誰以及你加入購物車的商品是什么。

　設計成無狀態的原因：HTTP的無狀態性有助于簡化服務器的設計，因為服務器不需要保存與每個客戶端的會話相關的信息。這也使得Web服務可以更輕松地擴展，因為新的請求可以由任何可用的服務器處理，而不必擔心丟失與先前請求的狀態相關的信息。盡管HTTP本身是無狀態的，但Web應用往往需要維護管理狀態（例如，跟蹤用戶是否登錄，用戶的購物車內容等）。為了解決這個問題，Web開發者使用了一些技巧和工具，如Cookies、URL參數、隱藏的表單字段和服務器端的session存儲。

　Cookies：當用戶首次登錄一個網站時，服務器可能會發送一個Cookie給瀏覽器。此后，每次發出請求，瀏覽器都會自動攜帶這個Cookie，這樣服務器就可以“識別”用戶了。

　Session：服務器可以使用由Cookie或其他機制提供的ID來存儲有關用戶的狀態信息。這些信息保存在服務器上，每次請求時，服務器可以使用ID來查找和使用該信息。

在后續章節中會詳細介紹RESTful API設計，無狀態是其核心原則之一。每個請求應該包含所有必要的信息供服務器處理。這確保了服務器可以自由地處理任何請求，而不需要考慮之前的請求。