30 | 时代之风（上）：HTTP/2特性概览

• Q:HTTP/2怎么做头部压缩？
  • 开发了专门的“HPACK”算法，在客户端和服务器两端建立“字典”，用索引号表示重复的字符串，还釆用哈夫曼编码来压缩整数和字符串，可以达到 50%~90% 的高压缩率
• Q:HTTP/2怎么使用二进制
  • 把TCP协议的部分特性挪到了应用层，把原来的「Header+Body」的消息打散为数个小片的二进制「帧」(Frame)，用「HEADERS」帧存放头数据、「DATA」帧存放实体数据
• Q:HTTP/2的流(Stream)是什么？
  • 它是二进制帧的双向传输序列，同一个消息往返的帧会分配一个唯一的流ID。在里面的是一串有先后顺序的数据帧，这些数据帧按照次序组装起来就是 HTTP/1 里的请求报文和响应报文
  • 因为「流」是虚拟的，实际上并不存在，所以 HTTP/2 就可以在一个 TCP 连接上用「流」同时发送多个「碎片化」的消息，这就是常说的“多路复用”（Multiplexing）——多个往返通信都复用一个连接来处理
  • 在「流」的层面上看，消息是一些有序的「帧」序列，而在「连接」的层面上看，消息是乱序收发的「帧」。多个请求/响应之间没有了顺序关系，不需要排队等待， 也就不会再出现「队头阻塞」问题，降低了延迟，大幅度提高了连接的利用率
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  • 为了更好地利用连接，加大吞吐量，HTTP/2 还添加了一些控制帧来管理虚拟的「流」，实现了优先级和流量控制，这些特性也和 TCP 协议非常相似
  • HTTP/2 还在一定程度上改变了传统的「请求 - 应答」工作模式，服务器不再是完全被动地响应请求，也可以新建「流」主动向客户端发送消息。比如，在浏览器刚请求 HTML 的时候就提前把可能会用到的 JS、CSS 文件发给客户端，减少等待的延迟，这被称为“服务器推送”（Server Push，也叫 Cache Push）

31 | 时代之风（下）：HTTP/2内核剖析

• Q:HTTP/2的连接前言(connection preface)是什么
  • 由于 HTTP/2是基于 TLS，所以在正式收发数据之前，会有 TCP 握手和 TLS 握手，TLS 握手成功之后，客户端必须要发送一个连接前言用来确认建立 HTTP/2 连接
  • 这个连接前言是标准的HTTP/1请求报文，使用纯文本的ASCII码格式，请求方法是特别注册的一个关键字「PRI」，全文只有24个字节：

  PRI * HTTP/2.0\r\n\r\nSM\r\n\r\n
  

  • 在 Wireshark 里，HTTP/2 的连接前言被称为「Magic」，只要服务器收到这个「有魔力的字符串」，就知道客户端在 TLS 上想要的是 HTTP/2 协议，后面就会都使用 HTTP/2 的数据格式
• Q:HTTP/2的头部压缩是怎样？
  • 确立了连接之后，HTTP/2 就开始准备请求报文
  • 因为语义上它与 HTTP/1 兼容，所以报文还是由「Header+Body」构成的，但在请求发送前，必须要用「HPACK」算法来压缩头部数据
  • 「HPACK」算法是专门为压缩 HTTP 头部定制的算法，与 gzip、zlib 等压缩算法不同，它是一个“有状态”的算法，需要客户端和服务器各自维护一份“索引表”，压缩和解压缩就是查表和更新表的操作
  • 为了方便管理和压缩，HTTP/2 废除了原有的起始行概念，把起始行里面的请求方法、URI、状态码等统一转换成了头字段的形式，即「伪头字段」(pseudo-header fields)。并废除起始行里的版本号和错误原因短语
  • 伪头字段会在名字前加一个「:」，比如「:authority」、「:method」、「:status」，分别表示的是域名、请求方法和状态码
  • 现在HTTP报文头全都是「Key-Value」形式的字段，于是 HTTP/2 就为一些最常用的头字段定义了一个只读的静态表（Static Table），如下表，如数字「2」代表「GET」，数字「8」代表状态码200
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  • 但如果表里只有 Key 没有 Value，或者是自定义字段根本找不到就要用到“动态表”（Dynamic Table），它添加在静态表后面，结构相同，但会在编码解码的时候随时更新
  • 如第一次发送请求时的「user-agent」字段长是一百多个字节，用哈夫曼压缩编码发送之后，客户端和服务器都更新自己的动态表，添加一个新的索引号「65」。那么下一次发送的时候就不用再重复发那么多字节了，只要用一个字节发送编号就好
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  • 随着在 HTTP/2 连接上发送的报文越来越多，两边的「字典」也会越来越丰富，最终每次的头部字段都会变成一两个字节的代码，原来上千字节的头用几十个字节就可以表示了，压缩效果比 gzip 要好得多
• Q:HTTP/2的二进制帧是怎样
  • 头部数据压缩之后，HTTP/2 就要把报文拆成二进制的帧准备发送
  • HTTP/2 的帧结构有点类似 TCP 的段或者 TLS 里的记录，但报头很小，只有 9 字节
  • 二进制的格式也保证了不会有歧义，而且使用位运算能够非常简单高效地解析
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  • 帧开头是 3 个字节的长度（但不包括头的 9 个字节），默认上限是 2^14，最大是 2^24，也就是说 HTTP/2 的帧通常不超过 16K，最大是 16M
  • 长度后面的一个字节是帧类型，大致可分为数据帧和控制帧两类，HEADERS帧和DATA帧属于数据帧，存放的HTTP报文，而SETTINGS、PING、PRIORITY等则是用来管理流的控制帧
  • HTTP/2 总共定义了 10 种类型的帧，但一个字节可以表示最多 256 种，所以也允许在标准之外定义其他类型实现功能扩展。比如 Google 的 gRPC 就利用了这个特点，定义了几种自用的新帧类型
  • 第5个字节是帧标志，可以保存8个标志位，携带简单的控制信息。常用的标志位有END_HEADERS表示头数据结束，相当于HTTP/1里头后的空行「\r\0」，END_STREAM表示单方向数据发送接受(EOS，End Of Stream)，相当于HTTP/1里Chunked分块结束标志「\0\r\n\r\n」
  • 报文投里最后4个字节是流标识符，即帧所属的「流」，接收方使用它就可从乱序的帧里识别出具有相同流ID的帧序列，按顺序组装起来就实现了虚拟的「流」
  • 流标识符虽然有4个字节，但最高位被保留不用，所以只有31位可使用，即流标识符的上限是2^31，大约21亿
• Q:HTTP/2 的流与多路复用是怎样？
  • 流是二进制帧的双向传输序列
  • 在 HTTP/2 连接上，虽然帧是乱序收发的，但只要它们都拥有相同的流 ID，就都属于一个流，而且在这个流里帧不是无序的，而是有着严格的先后顺序
  • 在概念上，一个 HTTP/2 的流就等同于一个 HTTP/1 里的「请求-应答」。在 HTTP/1 里一个「请求 - 响应」报文来回是一次 HTTP 通信，在 HTTP/2 里一个流也承载了相同的功能
• Q:HTTP/2 的流有哪些特点呢
  • 1.流是可并发的，一个 HTTP/2 连接上可以同时发出多个流传输数据，也就是并发多请求，实现“多路复用”
  • 2.客户端和服务器都可以创建流，双方互不干扰
  • 3.流是双向的，一个流里面客户端和服务器都可以发送或接收数据帧，也就是一个“请求 - 应答”来回
  • 4.流之间没有固定关系，彼此独立，但流内部的帧是有严格顺序的
  • 5.流可以设置优先级，让服务器优先处理，比如先传 HTML/CSS，后传图片，优化用户体验
  • 6.流 ID 不能重用，只能顺序递增，客户端发起的 ID 是奇数，服务器端发起的 ID 是偶数
  • 7.在流上发送“RST_STREAM”帧可以随时终止流，取消接收或发送
  • 8.第 0 号流比较特殊，不能关闭，也不能发送数据帧，只能发送控制帧，用于流量控制
• Q:连接中无序的帧是如何依据流 ID 重组成流的
  • 在 Wireshark 抓包里，就有“0、1、3”一共三个流，实际上就是分配了三个流 ID 号，把这些帧按编号分组，再排一下队，就成了流
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  • HTTP/2 在一个连接上使用多个流收发数据，那么它本身默认就会是长连接，所以永远不需要“Connection”头字段（keepalive 或 close）
  • 下载大文件的时候想取消接收，在 HTTP/1 里只能断开 TCP 连接重新“三次握手”，成本很高，而在 HTTP/2 里就可以简单地发送一个“RST_STREAM”中断流，而长连接会继续保持
  • 因为客户端和服务器两端都可以创建流，而流 ID 有奇数偶数和上限的区分，所以大多数的流 ID 都会是奇数，而且客户端在一个连接里最多只能发出 2^30，也就是 10 亿个请求
  • ID 用完了可以再发一个控制帧“GOAWAY”，真正关闭 TCP 连接
• Q:HTTP/2如何根据帧的标志位实现流状态转换
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  • 最开始的时候流都是空闲(idle)状态
  • 当客户端发送HEADERS帧后，有了流ID，流就进入了「打开」状态，两端都可以收发数据，然后客户端发送一个带「END_STREAM」标志位的帧，流就进入了「半关闭」状态。意味着客户端的请求数据已经发送完了，需要接受响应数据，而服务端也知道请求数据接收完毕，之后就要内部处理，再发送响应数据
  • 响应数据发完了之后，也要带上「END_STREAM」标志位，表示数据发送完毕，这样流两端就都进入了关闭状态，流就结束了
  • 流 ID 不能重用，所以流的生命周期就是 HTTP/1 里的一次完整的「请求 - 应答」，流关闭就是一次通信结束
  • 下一次再发请求就要开一个新流（而不是新连接），流 ID 不断增加，直到到达上限，发送「GOAWAY」帧开一个新的 TCP 连接，流 ID 就又可以重头计数
  • 因为流可以并发，所以 HTTP/2 就可以实现无阻塞的多路复用

32 | 未来之路：HTTP/3展望

• Q:为什么HTTP/2没有完全解决队头阻塞呢？
  • 因为 HTTP/2 虽然使用“帧”“流”“多路复用”，没有了“队头阻塞”，但这些手段都是在应用层里，而在下层，也就是 TCP 协议里，还是会发生“队头阻塞”
  • 从协议栈的角度来仔细看一下。在 HTTP/2 把多个“请求 - 响应”分解成流，交给 TCP 后，TCP 会再拆成更小的包依次发送（其实在 TCP 里应该叫 segment，也就 是“段”）
  • 在网络良好的情况下，包可以很快送达目的地。但如果网络质量比较差，而 TCP 为了保证可靠传输，有个特别的“丢包重传”机制，丢失的包必须要等待重新传输确认，其他的包即使已经收到了，也只能放在缓冲区里，上层的应用拿不出来，只能等待
• Q:不同HTTP协议栈图的对比
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• Q:QUIC有什么特点？
  • 基于 UDP，而 UDP 是无连接的，不需要握手和挥手，所以比 TCP 快
  • 基于 UDP 实现了可靠传输，保证数据一定能够抵达目的地。它还引入了类似 HTTP/2 的“流”和“多路复用”，单个“流”是有序的，可能会因为丢包而阻塞，但其他“流”不会受到影响
  • 为了防止网络上的中间设备（Middle Box）识别协议的细节，QUIC 全面采用加密通信，可以很好地抵御窜改和“协议僵化”（ossification）
  • 直接应用了 TLS1.3，也就获得了 0-RTT、1-RTT 连接的好处
  • 不是建立在 TLS 之上，而是内部“包含”了 TLS。它使用自己的帧“接管”了 TLS 里的“记录”，握手消息、警报消息都不使用 TLS 记录，直接封装成 QUIC 的帧发送，省掉了一次开销
• Q:QUIC内部介绍
  • QUIC 的基本数据传输单位是包（packet）和帧（frame），一个包由多个帧组成，包面向的是“连接”，帧面向的是“流”
  • QUIC 使用不透明的“连接 ID”来标记通信的两个端点，客户端和服务器可以自行选择一组 ID 来标记自己，这样就解除了 TCP 里连接对“IP 地址 + 端口”（即常说的四元组）的强绑定，支持“连接迁移”（Connection Migration）
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  • 即当 IP 地址会发生变化，TCP 就必须重新建立连接。而 QUIC 连接里的两端连接 ID 不会变，所以连接在“逻辑上”没有中断，它就可以在新的 IP 地址上继续使用之前的连接，消除重连的成本，实现连接的无缝迁移
  • QUIC 的帧里有多种类型，PING、ACK 等帧用于管理连接，而 STREAM 帧专门用来实流
  • QUIC 里的流与 HTTP/2 的流非常相似，也是帧的序列，但 HTTP/2 里的流都是双向的，而 QUIC 则分为双向流和单向流
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  • QUIC 帧普遍采用变长编码，最少只要 1 个字节，最多有 8 个字节。流 ID 的最大可用位数是 62，数量上比 HTTP/2 的 2^31 大大增加
  • 流 ID 还保留了最低两位用作标志，第 1 位标记流的发起者，0 表示客户端，1 表示服务器；第 2 位标记流的方向，0 表示双向流，1 表示单向流
  • 所以 QUIC 流 ID 的奇偶性质和 HTTP/2 刚好相反，客户端的 ID 是偶数，从 0 开始计数
• Q:HTTP/3 协议
  • 因为 QUIC 本身就已经支持了加密、流和多路复用，所以 HTTP/3 的工作减轻了很多，把流控制都交给 QUIC 去做。调用的不再是 TLS 的安全接口，也不是 Socket API，而是专门的 QUIC 函数
  • HTTP/3 里使用QUIC流来发送「请求 - 响应」
  • HTTP/3 里的“双向流”可以完全对应到 HTTP/2 的流，而“单向流”在 HTTP/3 里用来实现控制和推送，近似地对应 HTTP/2 的 0 号流
  • HTTP/3 里帧的结构变简单了。帧头只有两个字段：类型和长度，而且同样都采用变长编码，最小只需要两个字节
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  • HTTP/3 里的帧仍然分成数据帧和控制帧两类，HEADERS 帧和 DATA 帧传输数据，但其他一些帧因为在下层的 QUIC 里有了替代，所以在 HTTP/3 里就都消失了，比如 RST_STREAM、WINDOW_UPDATE、PING 等
  • 头部压缩算法在 HTTP/3 里升级成了“QPACK”，使用方式上也做了改变。虽然也分成静态表和动态表，但在流上发送 HEADERS 帧时不能更新字段，只能引用，索引表的更新需要在专门的单向流上发送指令来管理，解决了 HPACK 的“队头阻塞”问题
  • 另外，QPACK 的字典也做了优化，静态表由之前的 61 个增加到了 98 个，而且序号从 0 开始，也就是说“:authority”的编号是 0
• Q:HTTP/3 服务发现是怎样的呢
  • 用到 HTTP/2 里的“扩展帧”了。浏览器需要先用 HTTP/2 协议连接服务器，然后服务器可以在启动 HTTP/2 连接后发送一个“Alt-Svc”帧，包含一个“h3=host:port”的字符串，告诉浏览器在另一个端点上提供等价的 HTTP/3 服务。浏览器收到“Alt-Svc”帧，会使用 QUIC 异步连接指定的端口，如果连接成功，就会断开 HTTP/2 连接，改用新的 HTTP/3 收发数据

33 | 我应该迁移到HTTP/2吗？

• Q:HTTP/2 的优点是什么
  • 1.完全保持了与 HTTP/1 的兼容，在语义上没有任何变化
  • 2.对 HTTPS 在各方面都做了强化。下层的 TLS 至少是 1.2，而且只能用前向安全的密码套件（即 ECDHE），这同时也就默认实现了“TLS False Start”，支持 1-RTT 握手，所以不需要再加额外的配置就可以自动实现 HTTPS 加速
  • 3.在 HTTP/1 里只能压缩 body，而 HTTP/2 则可以用 HPACK 算法压缩 header，这对高流量的网站非常有价值，有数据表明能节省大概 5%~10% 的流量
  • 4.HTTP/2 的“多路复用”特性要求对一个域名（或者 IP）只用一个 TCP 连接，所有的数据都在这一个连接上传输，这样不仅节约了客户端、服务器和网络的资源，还可以把带宽跑满
  • 5.“优先级”可以让客户端告诉服务器，哪个文件更重要，更需要优先传输，服务器就可以调高流的优先级，合理地分配有限的带宽资源，让高优先级的 HTML、图片更快地到达客户端，尽早加载显示
  • 6.“服务器推送”也是降低延迟的有效手段，它不需要客户端预先请求，服务器直接就发给客户端，这就省去了客户端解析 HTML 再请求的时间
• Q:HTTP/2 的缺点是什么
  • 在 TCP 级别还是存在“队头阻塞”的问题。所以，如果网络连接质量差，发生丢包，那么 TCP 会等待重传，传输速度就会降低
  • 在移动网络中发生 IP 地址切换的时候，下层的 TCP 必须重新建连，要再次“握手”，经历“慢启动”，而且之前连接里积累的 HPACK 字典也都消失了，必须重头开始计算，导致带宽浪费和时延
  • HTTP/2 对一个域名只开一个连接，所以一旦这个连接出问题，那么整个网站的体验也就变差了
• Q:如何配置HTTP/2
  • Nginx 里启用 HTTP/2 只需要在 server 配置里再多加一个参数就可以搞定

  server {
      listen       443 ssl http2;
  
      server_name  www.xxx.net;
      
      ssl_certificate         xxx.crt;
      ssl_certificate_key     xxx.key;
  

  • “listen”指令在“ssl”后面多了一个“http2”，这就表示在 443 端口上开启了 SSL 加密，然后再启用 HTTP/2
  • 配置服务器推送特性可以使用指令“http2_push”和“http2_push_preload”

  http2_push         /style/xxx.css;
  http2_push_preload on;
  

  • 不过如何合理地配置推送是个难题，如果推送给浏览器不需要的资源，反而浪费了带宽
  • 优化方面，HTTPS 的一些策略依然适用，比如精简密码套件、ECC 证书、会话复用、HSTS 减少重定向跳转等等
  • 但还有一些优化手段在 HTTP/2 里是不适用的，而且还会有反效果，比如说常见的精灵图（Spriting）、资源内联（inlining）、域名分片（Sharding）等，至于原因是什么，我把它留给你自己去思考（提示，与缓存有关）
  • 还要注意一点，HTTP/2 默认启用 header 压缩（HPACK），但并没有默认启用 body 压缩，所以不要忘了在 Nginx 配置文件里加上“gzip”指令，压缩 HTML、JS 等文本数据
• Q:HTTP/2 的“服务发现”，浏览器怎么知道服务器支持 HTTP/2 呢
  • 在 TLS 的扩展里，使用ALPN（Application Layer Protocol Negotiation）来与服务器就 TLS 上跑的应用协议进行“协商”
  • 客户端在发起“Client Hello”握手的时候，后面会带上一个“ALPN”扩展，里面按照优先顺序列出客户端支持的应用协议
  • 如下图，最优先的是“h2”，其次是“http/1.1”，以前还有“spdy”，以后还可能会有“h3”
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  • 服务器看到 ALPN 扩展以后就可以从列表里选择一种应用协议，在“Server Hello”里也带上“ALPN”扩展，告诉客户端服务器决定使用的是哪一种。因为我们在 Nginx 配置里使用了 HTTP/2 协议，所以在这里它选择的就是“h2”
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  • 这样在 TLS 握手结束后，客户端和服务器就通过“ALPN”完成了应用层的协议协商，后面就可以使用 HTTP/2 通信了