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HTTP/2 探索第一篇：概念

小时光

修改于 2017-06-30 10:04:40

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作者：张浩然

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：