HTTP学习笔记04 - 未来已来的HTTP2

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HTTP学习笔记04 - 未来已来的HTTP2

HTTP/1当前的困境

当今的web，已经不再是当年的纯粹的一个展示性页面，而是基于浏览器的应用（browser-server application）。同时越来越多的页面元素导致页面需要加载的资源也日益增多。alexa排名前100的web站点上，平均每个页面需要加载的资源最少也会有大几十个。同时出于性能考虑，在浏览器里每个域名同时可以打开的连接数最多不超过8个。这就导致了每个连接最少也要处理10个左右的请求才能保证整个页面加载完毕。这势必会消耗大量的时间！

对于这些问题，我们通常会从以下几个方面进行优化：

  1. 异步接口合并（Batch Ajax Request）
  2. 图片合并，雪碧图（CSS Sprite）
  3. CSS、JS合并（Concatenation）
  4. CSS、JS内联（inline）
  5. 图片、音频内联（Data URI）

然而，由于协议设计时的一些权限，因此有些问题并不好解决，例如：

  1. 一个TCP连接上同时只能有1个请求/响应，所以为了提高用户体验，我们需要开启多个TCP连接（同域名最多8个）
  2. 域名散列，即在比较复杂的页面上将资源分配到多个域名上，这样提高并发亮，最终提高网页加载速度。但是带来的问题有：DNS开销、TCP慢启动、TCP额外开销、缓存失效
  3. 减少请求数量，合并请求或资源。因此带来得问题：木桶效应、内存消耗、解析时间变长、缓存失效
  4. HTTP头部没有压缩，大量重复头部信息造成额外消耗，因此需要减少请求数量（降低冗余字段传传输次数），启用Cookie-Less域名（比如静态资源文件使用独立域名）
  5. 需遵守一个请求一个响应的模式，无法推送重要资源。并且由于使用FIFO，所以必须把重要CSS放在头部，JS放在底部

HTTP2技术简介

HTTP2协议：

RFC7540 - Hypertext Transfer Protocol Version 2 (HTTP/2) RFC7541 - HPACK: Header Compression for HTTP/2

HTTP2新增功能概述：

  1. HTTP/2采用二进制格式传输数据，而非HTTP/1的文本格式。
  2. HTTP/2对消息头采用HPACK进行压缩传输，能够节省消息头占用的网络的流量。而HTTP/1每次请求都会携带大量冗余头信息，浪费了很多带宽资源。头压缩能够很好的解决这个问题。
  3. 多路复用，直白的说就是所有的请求都是通过一个TCP连接并发完成。HTTP/1虽然能利用一个连接完成多次请求，但是这个请求之间是有先后顺序的，如果某个请求阻塞了，那么后面的请求就都必须等待。而HTTP/2则做到了真正的并发请求。同时，流还支持优先级和流量控制。
  4. Server Push：服务端能够更快的把资源推送给客户端。例如服务端可以主动把JS和CSS文件推送给客户端，而不需要客户端解析HTML再发送这些请求。当客户端需要的时候，文件已经在客户端了。

HTTP/2是HTTP/1在底层传输机制上的完全重构，HTTP/2基本兼容HTTP/1语义。但是也有一些不同，例如： Content-Type依然是Content-Type，但是它不再是文本传输了。

HTTP2的基础 - Frame（帧）

Frame（帧）是HTTP/2二进制格式的基础，基本可以把它理解为和TCP里面的数据包一样。HTTP/2之所以能够有如此多的新特性，正是因为底层数据格式的改变。Frame的基本格式如下（摘自： https://tools.ietf.org/html/draft-ietf-httpbis-http2-17）

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

字段解释：

Length：表示Frame Payload部分的长度，Frame Header的长度是固定的9个字节（Length + Type + Flags + R + Stream Identifier = 72bit） Type: 区分这个Frame Payload存储的数据是属于HTTP Header还是HTTP Body；另外HTTP/2新定义了一些其他的Frame Type，例如，这个字段是0时，表示DATA类型（即HTTP/1中的Body部分数据） Flags: 共8位，每位都起标记作用。每种不同的Frame Type都有不同的Frame Flags。例如发送最后一个DATA类型的Frame时，就会将Flags最后一位设置为1（flags &= 0x01），表示END_STREAM，说明这个Frame是流的最后一个数据包。 R： 保留位 Stream Identifier： 流ID，当客户端和服务端建立TCP链接时，就会先发送一个Stream ID = 0的流用来做初始化工作。之后客户端和服务端从1开始发送请求/响应。

Frame由Frame Header和Frame Payload两部分组成。不论是原来的HTTP Header还是HTTP Body，在HTTP/2中，都将这些数据存储到Frame Payload，组成一个个的Frame，再发送响应/请求。通过Frame Header中的Type区分这个Frame的类型。所以HTTP/2相比于HTTP/1，在语义上并没有太大的变化，而是数据的格式变成二进制的Frame。二者的转换和关系如下图： HTTP1vsHTTP2

头部压缩（Header Compression, HPACK）：

上文提到，在HTTP/1中，Header部分都是文本形式并且是明文传输。但是在HTTP/2中，rfc专门定义了一个header字段-值的表（http://http2.github.io/http2-spec/compression.html#rfc.section.A），例如：5表示

:path=/index.html

所以，如果想请求一个域名的根页面信息时，只要给服务端发送一个Frame，该Frame的Payload部分存储0x8285,Frame的Type设置为Header类型，便可以表示这个Frame属于HTTP Header，请求的内容是：

GET /index.html

之所以是0x8285而不是0x0205是因为高位设置为1表示这个字节是一个完全索引值（key和value都在索引中）。类似的，通过高位的标志位可以区分出这个字节是属于一个完全索引值，还是仅索引了key，还是key和value都没有索引，因为索引表的大小是有限的，它仅保存了一些常用的HTTP Header，同时每次请求还可以在表的末尾动态追加新的HTTP Header缓存。动态部分称之为Dynamic Table。 Static Table和Dynamic Table在一起组合成了索引表：

<----------  Index Address Space ---------->
<-- Static  Table -->  <-- Dynamic Table -->
+---+-----------+---+  +---+-----------+---+
| 1 |    ...    | s |  |s+1|    ...    |s+k|
+---+-----------+---+  +---+-----------+---+
                       ^                   |
                       |                   V
                 Insertion Point      Dropping Point

HPACK不仅通过索引键值对来降低数据量，同时还会将字符串进行霍夫曼编码来压缩字符串大小。 以常用的 User-Agent为例，它在索引表中的索引值是58，它的值没有在表中纯在，因为它的值是多变的。第一次请求的时候它的key用58表示，表示这是一个User-Agent，它的值部分会进行霍夫曼编码（但是如果编码后的字符串变更长了，则不采用霍夫曼编码）。服务端收到请求后，会将这个User-Agent添加到Dynamic Table缓存起来，分配一个新的索引值。客户端下一次请求时，假设上一次请求的User-Agent在表中的索引位置是62，此时只需要发送0xBE（同样的，高位1），便可以代表：

User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1; WOW64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/33.0.1750.146 Safari/537.36

其过程如下图所示:

最终，相同的Header只需要发送索引值，新的Header会重新加入到Dynamic Table。

Multipexing多路复用

每个Frame Header都有一个Stream ID就是被用于实现该特性。每次请求/响应使用不同的Stream ID。就像同一个TCP连接上的数据包通过IP:PORT来区分出数据包去往哪里一样。通过Stream ID标识，所有的请求和响应都可以正确地跑在一条TCP连接上了。下图是HTTP和SPDY的并发模型对比：

当流并发时，就会涉及到流的优先级和依赖。优先级高的流会被优先发送，图片请求的优先级要低于CSS和SCRIPT。这个设计可以确保重要的东西可以被优先加载完。

Server Push：

当服务端需要主动推送某个资源时，变会发送一个Frame Type为PUSH_PROMISE的Frame，里面带了PUSH需要新建的Stream ID。这个Frame是通知客户端：接下来服务端要用这个ID向你发送数据，客户端准备好接收。客户端解析Frame时，发现它是一个PUSH_PROMISE类型，便会准备接收服务端要推送的流。