HTTP/2探索第一篇——概念

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一.现状

现在网络优化的瓶颈是什么？你可能会说，带宽。也许在2014年前，决定性能的关键是带宽，但是在今天以及以后，瓶颈都不会是带宽，而是延迟；

从图中可以看出，随着带宽的增长，页面加载时间(PLT Page Load Time)在1Mbps到3Mbps的区间得到了很大的改善，但是再提高带宽，带来的提升就很小了，属于非线性改善；反观延迟，延迟（这里是指多个RTT时间相加的总和）的改善对于页面加载时间是属于线性改善；

1. HTTP/1.1

TCP连接是需要三次握手的，同时，多个TCP连接也会给服务器带来资源的消耗，在HTTP/1.1中，每个请求回复都是一次TCP连接（未开启Keep-Alive的情况下），并且，同时传输多个资源时，会有队首阻塞的问题，造成网络资源无法有效利用；

2. 安全

对于大多数人来说，下图的情况几乎都有遇到过（电脑或手机里）。万恶的运营商或者网络接入WiFi提供商劫持我们的网络，修改网络的内容，给我们带来了很大的困扰；

二.HTTP/2.0

现在，HTTP/2.0出现了。其实HTTP/2.0是支持Clear Text版和Over TLS版，由于现有支持HTTP/2.0的浏览器都是实现的Over TLS版，故本文的HTTP/2.0都是讲的是HTTPS版HTTP/2.0；

1. Clear Text版:

• 客户端向服务端请求（假设此时scheme是HTTP），带有以下头：
  Upgrade: h2c
  HTTP2-Settings

• 服务器端返回：
  101状态码，转换协议；
  Connection: Upgrade
  Upgrade: h2c 或者 200/404

2. HTTP/2.0 Over TLS版:

• 客户端向服务器端请求
  TLS + ALPN(Application Layer Protocol Negotiation)/NPN

• 服务器端返回:
  TLS 握手 并返回支持的HTTP协议；
  a. TLS握手详细过程
  
  b. ALPN协商过程
  参考TLS握手过程图，下面是增加ALPN协商的具体过程：
  客户端添加一个ProtocolNameList字段，包含支持的HTTP协议到ClientHello消息中；
  服务器端查看ProtocolNameList字段后通过ServerHello消息返回ProtocolName字段，表明被选定的协议；
  通过实现ALPN，不再需要单独请求一次服务器带上Upgrade: h2c;
  c. False Start
  通常情况下，使用ALPN会搭配使用False Start，客户端在完成TLS握手前提前发送加密后的应用数据，将两次RTT TLS握手减少为一次；不过需要同时支持ALPN（NPN已经很少用啦）和前向安全性；
  d. HSTS
  HTTP Strict Transport Security（简称为HSTS）是一个安全功能，告诉浏览器只能通过HTTPS访问当前资源，禁止HTTP方式。
  如果用户输入域名www.qq.com， 浏览器首先会去请求http://www.qq.com ,请求过程是明文非加密的，此时容易被中间人攻击，让网路恶意中间商直接接触到用户信息；而HSTS是用户请求时，服务器告诉客户端，下次来请求直接请求https:// ，而不要再请求服务器来跳转到https；
  同时，开启HSTS后，如果证书认证不通过（比如遭到中间人攻击），浏览器此时强制无法打开该网站；

3. 名词解释

流(Stream)：一个Stream是包含一条或多条信息，ID和优先级的双向通道；
消息(Message)：消息由帧组成；
帧(Frame)：帧有不同的类型，并且是混合的。他们通过stream id被重新组装进消息中；

4. 概念解释

a. 二进制帧

HTTP2的二进制帧是9字节(72 bit)
长度：24bit，也就是理论上可以携带2^24字节的数据。但通常由于SETTINGS_MAX_FRAME_SIZE的设置，不能发送超过2^14(16384)字节的数据；
类型：8bit，决定了该帧的类型；

• DATA : 数据帧
• HEADERS : 头部帧
• PRIORITY : 设置流的优先级
• RST_STREAM : 终止流
• SETTINGS : 设置连接参数
• PUSH_PROMISE : 服务器推送模拟请求帧
• PING : 用来计算RTT时间和看是否服务器挂了的Stream
• GOAWAY : 告诉对方停止再向当前连接创建stream
• WINDOW_UPDATE : 流量控制
  保留字段：1bit，一般为0；
  Stream ID：31bit，Stream标识，理论上可以有2147483648，超过这么多stream怎么办呢？
  如果是客户端无法再创建新的stream id，可以直接创建新的TCP连接，stream id被重置；
  如果是服务器端无法再创建新的stream id，服务器将会给客户端发一个 GOAWAY帧，客户端无法再向该服务器创建stream，不得不新建TCP连接；

5. 新特性

a. 多路复用

HTTP/2.0中，数据在发送端被切分为更小的数据帧用以高效利用链接；
HTTP 1.1时代，再不开启Keep-alive的情况下，每一个请求会占用一个TCP连接，而HTTP/2将请求和响应消息拆分为各自独立的帧，交错的发送，然后再在接收端重新装配组合。有什么好处呢？
交错的多个请求/响应之间互现不会被阻塞

• HTTP/1.1时代的Keep-alive也是保持同一个TCP连接，但是由于请求/接收有先后，后面的请求资源会被前面的资源阻塞（没收到响应时不会发新的请求），如下图最左和最右边所示，即便是相比HTTP管道，优化也是巨大的：
  
  减少了不必要的延时，改善了网路的利用率(多路复用和资源优先级/依赖关系搭配使用，使得页面重度依赖的资源优先传输)；

b. 头部压缩
HTTP/2.0使用HPACK来给头部压缩；

• 值通过霍夫曼编码；
• 之前发送的值都被索引起来，之后使用时发现之前发送过该Header字段，并且值相同，就会沿用之前的索引来指代那个Header值；
• Cookies：在HTTP/2.0中，Cookie也将会变为键值对索引起来，而不是一长串字符串；

可以看看我们组dream同学的HTTP/2.0之特性科普篇——头部压缩，里面有截图部分的数据讲述压缩后的效果；

这里需要讲解一下伪头部字段：

请求：

• authority
• method
• path
• scheme

响应：

• status

所有的伪头部字段都是在所有Header的前部；

c. 资源优先级/依赖关系
资源优先级/依赖关系通过stream权重和dependency来设置；

通过上图可以看到，有一列是叫作Priority，初始设置是根据Content-type来设置优先级的，比如HTML是Highest，CSS是High，然后JS是Medium；
Stream 权重值可以设置为1到256之间；
Stream可以明确的表示依赖关系；
注意，一定要理解权重和依赖，权重值和依赖关系是作为带宽资源/服务器/客户端处理资源的建议值，但并不能保证他们有特定的传输顺序。让我们来看一张HTTP/2.0 的依赖关系和权重图：

HTTP/2.0中的stream都默认是依赖于一个根stream（其实不存在）。权重值是针对同级来计算的，不同级是不用来计算的；

d. 流量控制
与TCP的流量控制类似，不过HTTP/2.0的流量控制可以到具体帧，而TCP是TCP连接层面上的。注意：流量控制目前只对DATA帧有效！流量控制的算法没有具体要求使用哪一种，但是大概实现的功能是这样的：

• 两端收发保有一个流量控制(window)窗口；
• 发送端每发送一个DATA帧，就把窗口的大小递减，递减量为这个帧的大小，要是窗口大小小于该帧的大小，那么这个帧就必须被拆分。如果窗口值等于0，就不能发送任何帧。流量控制的初始默认窗口值大小为65535字节(理论上可以设置2^31-1字节也就是2147483647字节大小的窗口值)。
• 接收端可以通过发送WINDOW_UPDATE帧给发送端，发送端以帧内指定的窗口大小增量加到窗口大小限制上。

e. Server Push
Server Push的资源同样需要遵守同源策略，通过:authority来判断；

如Demo里所示，如果在服务器端设置当请求Path/examples/dashboard时就推送/examples/dashboard/d3.js，现在我们来看抓包：

说明：
当客户端请求服务器时（此时的请求路径已经设置好推送），服务器发回一个PUSH_PROMISE和两个HEADERS Frame，从Stream Identifier可以看出，第一个HEADERS的Stream ID是1，也就是复用请求的Stream来返回（这是HTML文件的返回响应Header）。第二个HEADERS就是推送文件的响应Header。
根据定义，由客户端初始化发起的Stream的标识符是奇数，由服务器端初始化发起的Stream是偶数，图中可以体现；
那么Stream 1和Stream 2的顺序如何保证呢？说明文档里有这样一句话：

Pushed streams initially depend on their associated stream.

也就是说，服务器将要推送的资源依赖于触发推送的请求，根据Stream依赖的功能，只有被依赖的stream加载完后才会去加载接下来的stream；

Server Push有什么好处呢：
推送的资源可以被客户端缓存；
推送的资源可以被不同的页面复用；
推送资源也是支持多路复用的；
推送资源可以被客户端拒绝掉(客户端接收到PUSH_PROMISE后，可以选择发送RST_PROMISE来拒绝接收，告诉服务器端不要再发送了，当然，此时可能已经有部分内容已经发送过来了)；
同时，Server Push配合流量控制，可以实现很多很神奇的功能，这里卖个关子，然后会在下一篇讲解 :)

参考
HTTP/2之特性科普篇
《High Performance Browser Networking》——Ilya Grigorik;
《Web性能权威指南》-李松峰翻译;
Jerry Qu blog 中的HTTP/2专题;
HTTP/2.0 RFC7540
HTTP/2.0协议 中英对照——百度FEX

文章来源于公众号：小时光茶社（Tech Teahouse）