HTTP/2协议–特性扫盲篇

HTTP/2协议–特性扫盲篇

随着web技术的飞速发展，1999年制定的HTTP 1.1已经无法满足大家对性能的要求，Google推出协议SPDY，旨在解决HTTP 1.1中广为人知的性能问题。SPDY得到了Chrome、Firefox和Opera的支持，很多大型网站（如谷歌、Twitter、Facebook、淘宝）都对兼容客户端使用SPDY。SPDY在被行业采用并证明能够大幅提升性能之后，已经具备了成为一个标准的条件。

HTTP工作组采用了SPDY v2草案作为制定HTTP 2.0标准的起点，2014年12月将HTTP/2标准提议递交至IESG进行讨论，于2015年2月17日被批准。HTTP/2标准于2015年5月以RFC 7540正式发表。至此，SPDY完成了历史的使命，即将退出历史的舞台，HTTP/2粉墨登场。

在HTTP的语义、HTTP方法、状态码、URI和首部字段等核心概念不变的情况下，HTTP/2实现了性能优化，HTTP/2具体有哪些变化呢？下面一一解答 O(∩_∩)O~

二进制分帧(Binary Framing)

HTTP1.x以换行符作为纯文本的分隔符。

HTTP/2将所有传输的信息分割为更小的消息和帧，并对它们采用二进制格式的编码，我们先了解几个概念：

• 帧（Frame）：HTTP/2通信的最小单位，每个帧包含帧首部，至少也会标识出当前帧所属的流。
• 消息（Message）：由一个或多个帧组合而成，例如请求和响应。
• 连接（Connection）：与 HTTP/1 相同，都是指对应的 TCP 连接；
• 流（Stream）：已建立的连接上的双向字节流。

在HTTP/2中，数据流以消息的形式发送，而消息由一个或多个帧组成，帧可以在数据流上乱序发送，然后再根据每个帧首部的流标识符重新组装。二进制分帧是HTTP/2的基石，其他优化都是在这一基础上来实现的。

多路复用（Request and Response Multiplexing）

HTTP1.x中，如果想并发多个请求，必须使用多个TCP链接，且浏览器为了控制资源，还会对单个域名有6-8的个数限制，如下图，红色圈出来的请求就因域名链接数已超过限制，而被挂起等待了一段时间：

针对这一问题，我们做了很多优化，例如合并请求、图片精灵、散列域名等

在 HTTP/2 中，有了二进制分帧之后，HTTP 2.0不再依赖TCP链接去实现多流并行了，在HTTP/2：

• 同域名下所有通信都在单个连接上完成。
• 单个连接可以承载任意数量的双向数据流。
• 数据流以消息的形式发送，而消息又由一个或多个帧组成，多个帧之间可以乱序发送，因为根据帧首部的流标识可以重新组装。

这一特性，性能会有极大的提升，因为：

• 同个域名只需要占用一个TCP连接，消除了因多个TCP连接而带来的延时和内存消耗。
• 单个连接上可以并行交错的请求和响应，之间互不干扰。

流优先级（ Stream priority）

在HTTP/2中，每个请求都可以带一个31bit的优先值，0表示最高优先级， 数值越大优先级越低。有了这个优先值，客户端和服务器就可以在处理不同的流时采取不同的策略，以最优的方式发送流、消息和帧。

服务器推送(Server push)

Server push是HTTP/2中一个很强大的功能：

• 服务器除了响应客户端的请求外，还可以向客户端额外推送资源。
• 服务器推送的资源有自己独立的URL， 可以被浏览器缓存，可以达到多页面共享。
• 资源推送遵守同源策略，服务器不可随便推送第三方资源给客户端。
• 客户端可以拒绝推送过来的资源。

有了这一特性，我们可以做什么？

• 应用可以通过额外的http头部，列出需要服务器推送哪些资源。
• 服务器可以解析请求的html，推测出客户端接下来需要请求的资源，然后提前向客户端推送。
• 等等

头部压缩（Header Compression）

HTTP每一次通信都会携带一组头部，用于描述这次通信的的资源、浏览器属性、cookie等，例如

在HTTP 1.x中，这些信息都是以纯文本协议发送的，给每个请求增加了不小的负荷。

为了减少这块的开销并提升性能， HTTP/2会压缩这些首部：

• HTTP/2在客户端和服务器端使用“首部表”来跟踪和存储之前发送的键－值对，对于相同的数据，不再通过每次请求和响应发送；
• 首部表在HTTP/2的连接存续期内始终存在，由客户端和服务器共同渐进地更新;
• 每个新的首部键－值对要么被追加到当前表的末尾，要么替换表中之前的值。

例如：下图中的两个请求， 请求一发送了所有的头部字段，第二个请求则只需要发送差异数据，这样可以减少冗余数据，降低开销。

我们来看一个实际的例子，下面是用WireShark抓取的访问google首页的包：

上图是是访问https://www.google.com/抓到的第一个请求的头部，可以看到头部的内容，总共占用了437 bytes，我们选中头部的cookie，可以看到cookie总共占用了118 bytes。接下来我们看看第二个请求的头部：

从上图可以看到，得益于头部压缩，第二个请求中cookie只占用了1个字节，我们来看看变化了的Accept字段：

由于Accept字段与请求一中的内容不同，需要发送给服务器，所以占用了29 bytes。

应用层协商协议（APLN:Aplication Layer Protocol Negotiation）

客户端、服务器都需要升级才能支持HTTP 2.0，升级过程中就存在HTTP1.1、HTTP 2.0并存的情况，然而他们都使用的80端口，那么如何来选择使用什么协议通信呢？

APLN就是为了解决这个问题的，通过协商来选择通信的协议：

1. 客户端发起请求，如果支持HTTP/2，则带upgrade头部:
   GET /page HTTP/1.1
Host: server.example.com
Connection: Upgrade, HTTP2-Settings
Upgrade: HTTP/2.0
HTTP2-Settings: (SETTINGS payload)

2. 服务器不支持，则拒绝升级，通过HTTP1.1返回响应
   HTTP/1.1 200 OK
Content-length: 243
Content-type: text/html
(... HTTP 1.1 response ...)

3. 服务器支持，则接受升级，切换到新分帧，使用HTTP/2通信。
   HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Connection: Upgrade
Upgrade: HTTP/2.0
(... HTTP 2.0 response ...)


使用协议协商，无论是哪一种情况，都不需要额外的往返，如果客户端通过记录或者其他方式，知道服务器支持HTTP/2，则直接使用HTTP/2通信，无需再协议协商。

Ending

最后，简而概之，HTTP/2的通过支持请求与响应的多路复用来减少延迟，通过压缩HTTP首部字段将协议开销降至最低，同时增加对请求优先级和服务器端推送的支持。

HTTP/2性能得到了极大的提升，我们在HTTP 1.1时代做的有些优化反而成了鸡肋，在升级过程中，如何让HTTP/2 和 HTTP 1.1的用户都能得到最优的性能，这是对于我们的另外一大挑战。

参考资料：

1. 《High Performance Browser Networking》 –Ilya Grigorik;
2. 《Web性能权威指南》-李松峰翻译;
3. Jerry Qu blog 中的HTTP/2专题;
4. HTTP/2 rfc 7540;
5. HTTP/2 协议 中英对照版 –百度 FEX
6. 维基百科：HTTP/2