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http2的变化和

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1. http2介绍

HTTP/2 出来的目的是为了改善 HTTP 的性能。协议升级有一个很重要的地方，就是要兼容老版本的协议，否则新协议推广起来就相当困难，所幸 HTTP/2 做到了兼容 HTTP/1.1 。那么，HTTP/2 是怎么做的呢？

第一点，HTTP/2 没有在 URI 里引入新的协议名，仍然用「http://」表示明文协议，用「https://」表示加密协议，于是只需要浏览器和服务器在背后自动升级协议，这样可以让用户意识不到协议的升级，很好的实现了协议的平滑升级。

第二点，只在应用层做了改变，还是基于 TCP 协议传输，应用层方面为了保持功能上的兼容，HTTP/2 把 HTTP 分解成了「语义」和「语法」两个部分，「语义」层不做改动，与 HTTP/1.1 完全一致，比如请求方法、状态码、头字段等规则保留不变。

但是，HTTP/2 在「语法」层面做了很多改造，基本改变了 HTTP 报文的传输格式。

2. http2功能

2.1 Header压缩

HTTP 协议的报文是由「Header + Body」构成的，对于 Body 部分，HTTP/1.1 协议可以使用头字段 「Content-Encoding」指定 Body 的压缩方式，比如用 gzip 压缩，这样可以节约带宽，但报文中的另外一部分 Header，是没有针对它的优化手段。

HTTP/1.1 报文中 Header 部分存在的问题：

  • 含很多固定的字段，比如Cookie、User Agent、Accept 等，这些字段加起来也高达几百字节甚至上千字节，所以有必要压缩；
  • 大量的请求和响应的报文里有很多字段值都是重复的，这样会使得大量带宽被这些冗余的数据占用了，所以有必须要避免重复性；
  • 字段是 ASCII 编码的，虽然易于人类观察，但效率低，所以有必要改成二进制编码；

HTTP/2 对 Header 部分做了大改造，把以上的问题都解决了。

HTTP/2 没使用常见的 gzip 压缩方式来压缩头部，而是开发了 HPACK 算法，HPACK 算法主要包含三个组成部分：

  • 静态字典；
  • 动态字典；
  • Huffman 编码（压缩算法）；

客户端和服务器两端都会建立和维护「字典」，用长度较小的索引号表示重复的字符串，再用 Huffman 编码压缩数据，可达到 50%~90% 的高压缩率。

静态表包含了 61 种高频出现在头部的字符串，不在静态表范围内的头部字符串就要自行构建动态表，它的 Index 从 62 起步，会在编码解码的时候随时更新。

比如，第一次发送时头部中的「user-agent 」字段数据有上百个字节，经过 Huffman 编码发送出去后，客户端和服务器双方都会更新自己的动态表，添加一个新的 Index 号 62。那么在下一次发送的时候，就不用重复发这个字段的数据了，只用发 1 个字节的 Index 号就好了，因为双方都可以根据自己的动态表获取到字段的数据。

所以，使得动态表生效有一个前提：必须同一个连接上，重复传输完全相同的 HTTP 头部。如果消息字段在 1 个连接上只发送了 1 次，或者重复传输时，字段总是略有变化，动态表就无法被充分利用了。

理想很美好，现实很骨感。动态表越大，占用的内存也就越大，如果占用了太多内存，是会影响服务器性能的，因此 Web 服务器都会提供类似 http2_max_requests 的配置，用于限制一个连接上能够传输的请求数量，避免动态表无限增大，请求数量到达上限后，就会关闭 HTTP/2 连接来释放内存。

HTTP/2 头部的编码通过「静态表、动态表、Huffman 编码」共同完成的。

2.2 二进制传输数据

HTTP/2 厉害的地方在于将 HTTP/1 的文本格式改成二进制格式传输数据，极大提高了 HTTP 传输效率，而且二进制数据使用位运算能高效解析。

HTTP/2 则是一个彻底的二进制协议，头信息和数据体都是二进制，并且统称为”帧”（frame）：头信息帧和数据帧。

你可以从下图看到，HTTP/1.1 的响应 和 HTTP/2 的区别：

1

HTTP/2 把响应报文划分成了两个帧（Frame），图中的 HEADERS（首部）和 DATA（消息负载） 是帧的类型，也就是说一条 HTTP 响应，划分成了两个帧来传输，并且采用二进制来编码。

HTTP/2 二进制帧的结构如下图：

img

帧头（Fream Header）很小，只有 9 个字节，帧开头的前 3 个字节表示帧数据（Fream Playload）的长度。

帧长度后面的一个字节是表示帧的类型，HTTP/2 总共定义了 10 种类型的帧，一般分为数据帧和控制帧两类，如下表格：

img

帧类型后面的一个字节是标志位，可以保存 8 个标志位，用于携带简单的控制信息，比如：

  • END_HEADERS 表示头数据结束标志，相当于 HTTP/1 里头后的空行（“\r\n”）；
  • END_STREAM 表示单方向数据发送结束，后续不会再有数据帧。
  • PRIORITY 表示流的优先级；

帧头的最后 4 个字节是流标识符（Stream ID），但最高位被保留不用，只有 31 位可以使用，因此流标识符的最大值是 2^31，大约是 21 亿，它的作用是用来标识该 Fream 属于哪个 Stream，接收方可以根据这个信息从乱序的帧里找到相同 Stream ID 的帧，从而有序组装信息。

最后面就是帧数据了，它存放的是通过 HPACK 算法压缩过的 HTTP 头部和包体。

2.3 Stream并发传输

我们都知道 HTTP/1.1 的实现是基于请求-响应模型的。同一个连接中，HTTP 完成一个事务（请求与响应），才能处理下一个事务，也就是说在发出请求等待响应的过程中，是没办法做其他事情的，如果响应迟迟不来，那么后续的请求是无法发送的，也造成了队头阻塞的问题。

而 HTTP/2 通过 Stream 这个设计，多个 Stream 复用一条 TCP 连接，达到并发的效果，解决了 HTTP/1.1 队头阻塞的问题，提高了 HTTP 传输的吞吐量。

img

可以从上图中看到：

  • 1 个 TCP 连接包含一个或者多个 Stream，Stream 是 HTTP/2 并发的关键技术；
  • Stream 里可以包含 1 个或多个 Message，Message 对应 HTTP/1 中的请求或响应，由 HTTP 头部和包体构成；
  • Message 里包含一条或者多个 Frame，Frame 是 HTTP/2 最小单位，以二进制压缩格式存放 HTTP/1 中的内容（头部和包体）；

在 HTTP/2 连接上，不同 Stream 的帧是可以乱序发送的（因此可以并发不同的 Stream ），因为每个帧的头部会携带 Stream ID 信息，所以接收端可以通过 Stream ID 有序组装成 HTTP 消息，而同一 Stream 内部的帧必须是严格有序的。

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客户端和服务器双方都可以建立 Stream， Stream ID 也是有区别的，客户端建立的 Stream 必须是奇数号，而服务器建立的 Stream 必须是偶数号。

同一个连接中的 Stream ID 是不能复用的，只能顺序递增，所以当 Stream ID 耗尽时，需要发一个控制帧 GOAWAY，用来关闭 TCP 连接。

在 Nginx 中，可以通过 http2_max_concurrent_streams 配置来设置 Stream 的上限，默认是 128 个。

HTTP/2 通过 Stream 实现的并发，比 HTTP/1.1 通过 TCP 连接实现并发要牛逼的多，因为当 HTTP/2 实现 100 个并发 Stream 时，只需要建立一次 TCP 连接，而 HTTP/1.1 需要建立 100 个 TCP 连接，每个 TCP 连接都要经过TCP 握手、慢启动以及 TLS 握手过程，这些都是很耗时的。

HTTP/2 还可以对每个 Stream 设置不同优先级，帧头中的「标志位」可以设置优先级，比如客户端访问 HTML/CSS 和图片资源时，希望服务器先传递 HTML/CSS，再传图片，那么就可以通过设置 Stream 的优先级来实现，以此提高用户体验。

2.4 服务器主动推送

比如，客户端通过 HTTP/1.1 请求从服务器那获取到了 HTML 文件，而 HTML 可能还需要依赖 CSS 来渲染页面，这时客户端还要再发起获取 CSS 文件的请求，需要两次消息往返，如下图左边部分：

img

如上图右边部分，在 HTTP/2 中，客户端在访问 HTML 时，服务器可以直接主动推送 CSS 文件，减少了消息传递的次数。

在 Nginx 中，如果你希望客户端访问 /test.html 时，服务器直接推送 /test.css，那么可以这么配置：

1
2
3
location /test.html { 
  http2_push /test.css; 
}

另外Server Push不同于Websocket，Server Push一般是指服务器主动向客户端推送数据，这是一种单向的主动推送，而WebSocket是双向的，这两种技术不是竞争关系。

Server Push可以用在服务器主动向客户端推送静态资源，比如浏览器请求index.html时，服务器除了返回网页内容外，还会将index.html页面里面的各种css和js一起推送到浏览器缓存起来，当浏览器分析了网页内容发现静态资源时，不需要再去服务器请求一次，它只需要从缓存里直接拿就可以了。不过现代的网站的静态资源大多都是CDN架构的，静态资源都在第三方服务器，Server Push在这方面作用并不大。

3. 长连接区别

3.1 websocket

WebSocket是全双工的，可以双向通信，主要应用在实时通信的场景中，服务器可以实时推送数据给客户端。

3.2 SSE 技术

SSE （ Server-sent Events ）是 WebSocket 的一种轻量代替方案，使用 HTTP 协议。严格地说，HTTP 协议是没有办法做服务器推送的，但是当服务器向客户端声明接下来要发送流信息时，客户端就会保持连接打开，SSE 使用的就是这种原理。

SSE 是单向通道，只能服务器向客户端发送消息，如果客户端需要向服务器发送消息，则需要一个新的 HTTP 请求。 这对比 WebSocket 的双工通道来说，会有更大的开销。

3.3 http2

HTTP/2 虽然也支持 Server Push，但是服务器只能主动将资源推送到客户端缓存！那不是应用程序可以感知的，主要是让浏览器（用户代理）提前缓存静态资源。

HTTP/2不是类似于Websocket或者SSE这样的推送技术的替代品。

4. 复用 tcp 连接

4.1 http1 baseline

所谓长连接，即在 HTTP 请求建立 TCP 连接时，请求结束，TCP 连接不断开，继续保持一段时间（timeout），在这段时间内，同一客户端向服务器发送请求都会复用该 TCP 连接，并重置 timeout 时间计数器，在接下来 timeout 时间内还可以继续复用 TCP 。

timeout 时间到了之后，TCP会立即断开连接吗？

若两小时（timeout）没有收到客户的数据，服务器就发送一个探测报文段，以后则每隔 75 秒发送一次。若一连发送 10 个探测报文段后仍无客户的响应，服务器就认为客户端出了故障，接着就关闭这个连接。

img

HTTP/1.x 虽然引入了 keep-alive 长连接，但它每次请求必须等待上一次响应之后才能发起。

所以，在 HTTP/1.1 中提出了管道机制（默认不开启），下一次的请求不需要等待上一个响应来之后再发送，但这要求服务端必须按照请求发送的顺序返回响应，当顺序请求多个文件时，其中一个请求因为某种原因被阻塞时，在后面排队的所有请求也一并被阻塞，这就是 HTTP 队头阻塞 (Head-Of-Line Blocking)。

4.2 http2 multiplex

  • HTTP/1.x 是基于文本的，只能整体去传；HTTP/2 是基于二进制流的，可以分解为独立的帧，交错发送
  • HTTP/1.x keep-alive 必须按照请求发送的顺序返回响应；HTTP/2 多路复用不按序响应。
  • HTTP/1.x keep-alive 为了解决 http 队头阻塞，将同一个页面的资源分散到不同域名下，开启了多个 TCP 连接；HTTP/2 同域名下所有通信都在单个连接上完成。
  • HTTP/1.x keep-alive 单个 TCP 连接在同一时刻只能处理一个请求（两个请求的生命周期不能重叠）；HTTP/2 单个 TCP 同一时刻可以发送多个请求和响应。
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5. 队头阻塞问题

很多人在一些资料中会看到有论点说HTTP/2解决了队头阻塞的问题。但是这句话只对了一半。只能说HTTP/2解决了HTTP的队头阻塞问题，但是并没有解决TCP队头阻塞问题!

5.1 HTTP 队头阻塞

http1.x采用长连接(Connection:keep-alive)，可以在一个TCP请求上，发送多个http请求。有非管道化和管道化，两种方式。

非管道化：完全串行执行，请求->响应->请求->响应…，后一个请求必须在前一个响应之后发送。

管道化：请求可以并行发出，但是响应必须串行返回。后一个响应必须在前一个响应之后。原因是，没有序号标明顺序，只能串行接收。

无论是非管道化还是管道化，都会造成队头阻塞(请求阻塞)。

5.2 TCP 队头阻塞

TCP数据包是有序传输，中间一个数据包丢失，会等待该数据包重传，造成后面的数据包的阻塞。

5.3 总结

HTTP/1.1的管道化持久连接也是使得同一个TCP链接可以被多个HTTP使用，但是HTTP/1.1中规定一个域名可以有6个TCP连接。

HTTP/2使用一个域名单一TCP连接发送请求，请求包被二进制分帧，不同请求可以互相穿插，避免了 http 层面的请求队头阻塞。但是不能避免TCP层面的队头阻塞。

所以，在HTTP/2中，TCP队头阻塞造成的影响会更大，因为HTTP/2的多路复用技术使得多个请求其实是基于同一个TCP连接的，那如果某一个请求造成了TCP队头阻塞，那么多个请求都会受到影响。

6. http3是什么

HTTP/2 使用了多路复用，一般来说同一域名下只需要使用一个 TCP 连接。但当这个连接中出现了丢包的情况，那就会导致 HTTP/2 的表现情况反倒不如 HTTP/1 了。

因为在出现丢包的情况下，整个 TCP 都要开始等待重传，也就导致了后面的所有数据都被阻塞了。但是对于 HTTP/1.1 来说，可以开启多个 TCP 连接，出现这种情况反到只会影响其中一个连接，剩余的 TCP 连接还可以正常传输数据。

Google 就更起炉灶搞了一个基于 UDP 协议的 QUIC 协议，并且使用在了 HTTP/3 上，HTTP/3 之前名为 HTTP-over-QUIC，从这个名字中我们也可以发现，HTTP/3 最大的改造就是使用了 QUIC。

7. 参考资料

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