从文本到二进制：HTTP/2不止于性能，更是对HTTP/1核心语义的传承与革新

云原生计算基金会（Cloud Native Computing Foundation，CNCF）是一个非盈利的开源组织，专注于推动云原生计算的发展和标准化。而gRPC（Google Remote Procedure Call）是由Google发起并开源的高性能、跨语言RPC框架。2017年，Google将gRPC项目捐赠给了CNCF，使其成为云原生生态的核心组件之一。gRPC与Kubernetes（容器编排）、Prometheus（监控）、Istio（服务网格）等CNCF项目深度集成，广泛应用于微服务架构和云原生应用中，其重要性随着云原生理念的普及而日益凸显。

gRPC巧妙地结合了ProtoBuf、HTTP/2等成熟技术，为上述RPC三大问题提供了全面且标准化的解决方案。

1）数据表示：默认采用 ProtoBuf作为其IDL和高效的二进制序列化方案。

2）数据传递：建立在 HTTP/2 协议之上，利用其多路复用、流控、头部压缩等特性实现高效网络通信。

3）方法约定：通过 ProtoBuf IDL (.proto 文件) 定义服务接口和消息结构。

HTTP/2协议

HTTP/2是HTTP/1.1的重大升级版，其设计源于Google的SPDY协议，并于2015年正式成为标准（RFC 7540）。HTTP/1.1虽应用广泛，但其固有的性能瓶颈——如队头阻塞（Head-of-Line Blocking）、较高的连接建立延迟、低效的文本头部传输——已难以满足现代Web应用对高性能、低延迟的需求。HTTP/2旨在克服这些问题，显著提升传输效率和用户体验。

与HTTP/1.1的纯文本传输不同，HTTP/2引入了二进制分帧层 (Binary Framing Layer)。所有HTTP消息（请求/响应）都被封装成一个个二进制编码的帧 (Frame) 进行传输。这种设计不仅提高了处理效率和健壮性（解析二进制比文本更快更不容易出错），还为多路复用（Multiplexing）、头部压缩（Header Compression）和服务器推送（Server Push）等高级特性奠定了基础。

HTTP/2的核心架构包含以下几个关键概念。

1）Connection（连接）：一个TCP连接支持多个并发Stream，减少了HTTP/1.1中多个TCP连接的开销和延迟。

2）Stream（流）：独立的双向通信通道，用于传输一条或多条Message，避免了队头阻塞。

3）Message（消息）：对应HTTP/1.1的请求或响应，由一个或多个Frame组成，使数据传输更灵活。

4）Frame（帧）：最小的通信单位，采用二进制格式，包含元数据和有效载荷，用于客户端与服务器间的信息传递。

帧结构

帧是一种长度前缀消息（Length-Prefixed-Message）。帧以固定的9字节作为帧头，后面跟着变长的帧载荷（Frame Payload），帧头包括如下公共字段：Type、Length、Flags， Stream Identifier。

 +-----------------------------------------------+
 |                 Length (24)                   |
 +---------------+---------------+---------------+
 |   Type (8)    |   Flags (8)   |
 +-+-------------+---------------+-------------------------------+
 |R|                 Stream Identifier (31)                      |
 +=+=============================================================+
 |                   Frame Payload (0...)                      ...
 +---------------------------------------------------------------+

HTTP/2协议定义了10种不同类型的帧（Frame），其中通用格式包含以下几个关键类型，这些类型共同定义了帧的行为和内容。

1）Length（长度）：表示帧载荷（Frame Payload）的长度，以字节为单位。其最大长度为2^14（即16384字节），不包括帧头的9个字节。

2）Type（类型）：用于标识帧的类型。其中，DATA帧和HEADERS帧，分别对应于HTTP/1.1中的数据和头部信息。其他帧类型还包括SETTINGS、PRIORITY、RST_STREAM等，用于实现协议的各种高级特性。

3）Flags（标志）：该字段包含一组标志位，用于传递帧的附加控制信息。常用的标志位包括： END_HEADERS：表示当前帧是头数据（Headers）的最后一帧，相当于HTTP/1.1中头信息结束后的空行（“\r\n”）；END_STREAM：表示当前帧是流（Stream）中最后一个帧，标志着单方向数据传输的结束（End of Stream, EOS），相当于HTTP/1.1中分块传输编码（Chunked Encoding）的结束标志（“0\r\n\r\n”）；PRIORITY：用于指示流的优先级，帮助服务器和客户端优化资源分配。

4）R（保留字段）：该字段为保留位，目前未使用，必须设置为0。

5）Stream Identifier（流标识符）：用于标识帧所属的流（Stream）。每个流都有一个唯一的标识符，用于在同一个TCP连接中区分不同的并发流。流标识符的长度为31位，其中客户端发起的流使用奇数标识符，服务器发起的流使用偶数标识符。

消息的语义兼容性

HTTP/2 协议与 HTTP/1尽可能保持兼容。从应用程序的角度来看，协议的功能基本没有变化。为了实现这一点，HTTP/1的所有请求和响应语义被保留，虽然传达那些语义的语法已经改变。

HTTP/1使用消息起始行（start-line）来传达目标 URI，请求方法和响应的状态代码，而HTTP/2为此使用以“:”字符开头的特殊字段（pseudo-header）来达到相同的目的。

可以看到在第一个请求中，前两个头通常类似与HTTP/1。

GET /resoure HTTP/1.1
Host: https://example.com
...

现在被拆分为一个标题框。

:method: GET
:scheme: https
:host: example.com
:path: /resource
...

而其余的头则大致相同，都是lower-case字符。

HTTP/2尝试尽可能地最小化有效载荷大小。它将压缩与前一个请求中相同的头。在HTTP/1中，一个连续的请求看起来像是针对不同资源的初始请求。

GET /otherResource HTTP/1.1
Host: https://example.org
...

而在HTTP/2中，对同一服务器的连续请求只需要:path头部信息。

:path: /otherResource

因为所有其他头部信息都被标记并压缩缓存，并且可以通过“索引”进行还原。

未完待续

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