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HTTP2總結(jié)及簡單實踐總結(jié)

作者：佚名
移動開發(fā)
在 HTTP/0.9 和 HTTP/1.0 中，第3步之后，服務(wù)端就會關(guān)閉連接，也就是TCP的四次揮手，但是在 HTTP/1.1 后，客戶端在發(fā)送HTTP請求時頭部可以帶上 Connection：Keep-Alive ，就是告訴服務(wù)器保持連接，不要關(guān)閉TCP。當 Connection:Close 時，服務(wù)器會關(guān)閉連接。

HTTP發(fā)展歷史

在總結(jié)http2之前先來回顧下http的發(fā)展歷史。以下三張圖片來自 Jerry Qu

HTTP/0.9 (1991)

HTTP2總結(jié)及簡單實踐

HTTP/1.0 (1996)

HTTP2總結(jié)及簡單實踐

HTTP/1.1 (1999)

HTTP2總結(jié)及簡單實踐

HTTP通信過程

眾所周知，http是基于tcp之上的應(yīng)用層協(xié)議，即在tcp連接建立之后，在tcp的鏈路上傳送數(shù)據(jù)。

 

HTTP2總結(jié)及簡單實踐

  1. 首先進行TCP連接，三次握手， C --(SYN{k})--> S ， S --(ACK{k+1}&SYN{j})--> C ， C --ACK{j+1}--> S
  2. 客戶端發(fā)送ACK后，就會發(fā)送一個HTTP請求
  3. 服務(wù)端接受到ACK，確認TCP連接建立，再接著收到HTTP請求，進行解析并將結(jié)果返回客戶端。
  4. 客戶端收到HTTP請求結(jié)果。

在 HTTP/0.9 和 HTTP/1.0 中，第3步之后，服務(wù)端就會關(guān)閉連接，也就是TCP的四次揮手，但是在 HTTP/1.1 后，客戶端在發(fā)送HTTP請求時頭部可以帶上 Connection：Keep-Alive ，就是告訴服務(wù)器保持連接，不要關(guān)閉TCP。當 Connection:Close 時，服務(wù)器會關(guān)閉連接。

HTTP2 的通信過程無外乎這是這個流程，但是通過TCP傳輸?shù)臄?shù)據(jù)會有不同，客戶端和服務(wù)器的行為也有了新的規(guī)則。引入了Connection、Stream、Message、Frame這四個概念，從下圖大概可以看出他們之間的關(guān)系。

HTTP2總結(jié)及簡單實踐

  • Connection： 其實就是一個TCP連接
  • Stream：已建立的連接上的雙向字節(jié)流
  • Message：請求或者響應(yīng)，由一個或多個幀組合而成
  • Frame： Message中的二進制幀，HTTP/2通信的最小單位，后面會詳細解釋

HTTP/2 新特性

  • 二進制分幀(Binary framing layer)
  • 多路復(fù)用 (Multiplexing)
  • 單一連接(One connection per origin)
  • 數(shù)據(jù)流優(yōu)先級(Stream prioritization)
  • 首部壓縮(Header Compression)
  • 流控 (Flow control)
  • 服務(wù)端推送(Server Push)

這些新特性的產(chǎn)生，主要是為了解決之前的問題，我們來對比下之前的 HTTP/1.1 ，看看解決了哪些問題

二進制分幀(Binary framing layer)

二進制分幀就是把http的數(shù)據(jù)按照規(guī)定的格式進行封裝，類似IP和TCP的數(shù)據(jù)包, 簡單畫了個承載HTTP2數(shù)據(jù)的以太幀結(jié)構(gòu)，方便理解。

HTTP2總結(jié)及簡單實踐

通過wireshark抓包可以看到http2的結(jié)構(gòu)

HTTP2總結(jié)及簡單實踐

  • Length: 無符號的自然數(shù)，24個比特表示，僅表示幀負載所占用字節(jié)數(shù)，不包括幀頭所占用的9個字節(jié)。默認大小區(qū)間為為0~16,384(2^14)，一旦超過默認最大值2^14(16384)，發(fā)送方將不再允許發(fā)送，除非接收到接收方定義的SETTINGS_MAX_FRAME_SIZE(一般此值區(qū)間為2^14 ~ 2^24)值的通知。
  • Type: 8個比特表示，定義了幀負載的具體格式和幀的語義，HTTP/2規(guī)范定義了10個幀類型，這里不包括實驗類型幀和擴展類型幀
  • Flags: 8個比特表示，服務(wù)于具體幀類型，默認值為0x0。有一個小技巧需要注意，一般來講，8個比特可以容納8個不同的標志，比如，PADDED值為0x8，二進制表示為00001000;END_HEADERS值為0x4，二進制表示為00000100;END_STREAM值為0X1，二進制為00000001?？梢酝瑫r在一個字節(jié)中傳達三種標志位，二進制表示為00001101，即0x13。因此，后面的幀結(jié)構(gòu)中，標志位一般會使用8個比特表示，若某位不確定，使用問號?替代，表示此處可能會被設(shè)置標志位
  • R: 在HTTP/2語境下為保留的比特位，固定值為0X0
  • Stream Identifier: 無符號的31比特表示無符號自然數(shù)。0x0值表示為幀僅作用于連接，不隸屬于單獨的流。

HTTP2幀中的類型如下：

 

HTTP2總結(jié)及簡單實踐

想了解每一個類型的詳細數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以參考我的另一篇文章http2幀類型詳解

通過Google Developers中的一個圖，我們可以更好的理解，HTTP2的分幀在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中所處的位置，以及和HTTP/1.1的不同之處。

HTTP2總結(jié)及簡單實踐

HTTP/1.1中的頭部變成HEADERS類型的幀，請求體/回應(yīng)體變成DATA類型的幀，通過二進制分幀，將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)使用二進制方式，對比文本方式減少數(shù)據(jù)量;通過不同類型的幀實現(xiàn)流控、服務(wù)器推送等功能。

多路復(fù)用 (Multiplexing) & 單一連接(One connection per origin)

我們知道在HTTP2之前，我們?nèi)绻爰涌炀W(wǎng)頁資源的加載速度，會采用同時建立多條連接的方式，但是這樣每次建立TCP連接效率比較低，并且瀏覽器往往會限制最大連接數(shù)(例如chrome的最大連接數(shù)為6)。另外在HTTP/1.1中引入了Pipeline，可以在一個TCP連接中連續(xù)發(fā)送多個請求，不用關(guān)心前面的響應(yīng)是否到達，但是服務(wù)器必須要按照收到請求的順序來進行響應(yīng)，這樣一旦前面的請求阻塞，后來的請求也將不能及時回應(yīng)。

HTTP2中，因為新的二進制幀的使用，使得可以輕松復(fù)用單個TCP連接?？蛻舳撕头?wù)器可以將 HTTP 消息分解為互不依賴的幀，然后交錯發(fā)送，最后再在另一端把它們重新組裝起來。

還是 Google Developers的圖：

HTTP2總結(jié)及簡單實踐

可以看到我們可以并行交錯的發(fā)送多個響應(yīng)和請求，并且使用同一個TCP連接，沒有先后順序，每個幀中攜帶有如何組裝的信息，客戶端會等某項工作所需要的所有的資源都就緒之后再執(zhí)行。

數(shù)據(jù)流優(yōu)先級(Stream prioritization)

由于可以進行單連接復(fù)用，服務(wù)器和客戶端的幀都是交錯發(fā)送，對于發(fā)送給服務(wù)器的幀，為了解決哪些該先處理，哪些該后處理，因此引入了數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級，服務(wù)器根據(jù)優(yōu)先級來分配資源。例如優(yōu)先級高的獲得更多的CPU和帶寬資源。那么優(yōu)先級是如何標示的呢?還記得前面的幀類型中有一個Type為PRIORITY，這種類型的幀就是為了告訴服務(wù)器這個stream的優(yōu)先級，此外HEADERS幀中也包含了優(yōu)先級信息。

HTTP/2通過父依賴和權(quán)重來標示優(yōu)先級，每一個stream會標示一個父stream id，沒有標示的默認為虛擬的root stream，這樣按照這種依賴關(guān)系構(gòu)建一個依賴樹，樹上層的stream權(quán)重較高，同一層的stream會有一個weight來區(qū)分資源分配比。。

HTTP2總結(jié)及簡單實踐

上圖是依賴樹的一些示例，從左到右，共四棵樹。

  • 第一個兩個stream A 和 B，沒有標明父stream，默認依賴虛擬的root節(jié)點，A、B處于同一層，優(yōu)先級相同，根據(jù)權(quán)重分配資源，A分到 12/(12+4)=3/4 資源，B分到 1/4 資源。
  • 第二個D和C有層級結(jié)構(gòu)，C的父級是D，那么服務(wù)器拿完整資源優(yōu)先處理D，然后再處理C。
  • 第三個，服務(wù)器先處理D，再處理C，然后處理A和B，A分到 3/4 資源，B分到 1/4 資源。
  • 第四個，先處理D，再講資源對半分處理E和C，之后再按照權(quán)重處理A和B

需要注意的一點是，流優(yōu)先級并不是強制約束，當優(yōu)先級高的流阻塞時，并不能不讓服務(wù)器處理優(yōu)先級低的流

首部壓縮 (Header Compression)

由于當前網(wǎng)站內(nèi)容越來越復(fù)雜，單個頁面的請求數(shù)基本都是幾十個甚至上百，每個請求都要帶上客戶端或者用戶的標識，例如：UA，cookie等頭部數(shù)據(jù)，請求數(shù)量多了以后，傳輸http頭部消耗的流量也非?？捎^，并且頭部數(shù)據(jù)中大部分都是相同的，這就是赤裸裸的浪費呀。于是產(chǎn)生了頭部壓縮技術(shù)來節(jié)省流量。

HTTP2總結(jié)及簡單實踐

  • 維護一份相同的靜態(tài)字典(Static Table)，包含常見的頭部名稱，以及特別常見的頭部名稱與值的組合
  • 維護一份相同的動態(tài)字典(Dynamic Table)，可以動態(tài)地添加內(nèi)容
  • 支持基于靜態(tài)哈夫曼碼表的哈夫曼編碼(Huffman Coding)

靜態(tài)字典

靜態(tài)字典就是把常用的頭部映射為字節(jié)較短的索引序號，如下圖所示，截取了前面幾個映射，全部定義可以看 Static Table Definition

HTTP2總結(jié)及簡單實踐

例如當頭部有個字段是 :method: GET ，那么查表可知，可以用序號2標識，于是這個字段的數(shù)據(jù)就是 0000010 (2的二進制表示)

動態(tài)字典

靜態(tài)字典能表示的頭部數(shù)據(jù)畢竟有限，壓縮率也不會高。但是對于一個站點來講，和某個用戶交互時會發(fā)生非常多的請求，但是每次請求頭部差別不大，會有很多重復(fù)數(shù)據(jù)，因為用戶和瀏覽器的標識是不變的。那么我們可以針對一次HTTP2的連接生成一個可添加映射的動態(tài)字典，這樣再后面的連接中就可以使用動態(tài)字典中的序號。動態(tài)字典的生成過程其實就是通知對方添加映射，客戶端可以通知服務(wù)端添加，反之亦可。

具體的通知方式就是按照協(xié)議規(guī)定的格式傳輸數(shù)據(jù)。

Huffman Coding

哈弗曼編碼的特性是出現(xiàn)頻率越高，編碼長度越短。HTTP2協(xié)議中根據(jù)大量的請求頭部數(shù)據(jù)樣本生成了一種canonical Huffman code，具體在 Huffman Code 列出。

流控 (Flow control)

HTTP/2 流量控制的目標，在流量窗口初始值的約束下，給予接收端以全權(quán)，控制當下想要接受的流量大小。

算法：

  • 兩端(收發(fā))保有一個流量控制窗口(window)初始值。
  • 發(fā)送端每發(fā)送一個DATA幀，就把window遞減，遞減量為這個幀的大小，要是window小于幀大小，那么這個幀就必須被拆分。如果window等于0，就不能發(fā)送任何幀
  • 接收端可以發(fā)送 WINDOW_UPDATE幀給發(fā)送端，發(fā)送端以幀內(nèi)指定的Window Size Increment作為增量，加到window上

服務(wù)端推送 (Server Push)

流程:

  • 客戶端在交換 SETTINGS 幀時，設(shè)置字段 SETTINGS_ENABLE_PUSH(0x2) 為1顯式允許服務(wù)器推送
  • 服務(wù)器在接受到請求時，分析出要推送的資源，先發(fā)個 PUSH_PROMISE 幀給瀏覽器
  • 然后再發(fā)送各個response header和response body
  • 瀏覽器收到 PUSH_PROMISE 幀時，根據(jù)header block fragment字段里的url，可以知道當前有沒有緩存，從而判斷是否要接收。如果不要，瀏覽器就要發(fā)送個 RST_STREAM 來終止服務(wù)器推送

問題：

  • 流量浪費。若瀏覽器有緩存，不要這個推送，就會出現(xiàn)浪費流量的現(xiàn)象，因為整個過程都是異步的，在服務(wù)器接收到RST_STREAM時，響應(yīng)很有可能部份發(fā)出或者全部發(fā)出了。

HTTP/2簡單實踐

Okhttp是一個java生態(tài)中有名的的http client，由于其簡單易用，性能較好，支持http2。下面用這個工具來實踐下，因為本人博客已經(jīng)在nginx上配置了http2，就拿本博客來實驗下。

 

  1. public class Http2Example { 
  2.     final static OkHttpClient client = new OkHttpClient.Builder().build(); 
  3.     public static void main(String[] args) { 
  4.         Request request = new Request.Builder() 
  5.                 .url("https://blog.fliaping.com") 
  6.                 .build(); 
  7.         try { 
  8.             Response response = client.newCall(request).execute(); 
  9.             System.out.println(JSON.toJSONString(response.protocol())); 
  10.             System.out.println(response.headers().toString()); 
  11.             System.out.println(response.body().string()); 
  12.         } catch (IOException e) { 
  13.             e.printStackTrace(); 
  14.         } 
  15.     } 
  16. } 

用過Okhttp的同學(xué)就會發(fā)現(xiàn)，這跟平時用的方法一樣啊，沒有任何區(qū)別，是的沒錯，就是沒有任何區(qū)別。別的不多說，執(zhí)行下看看，不幸的是你會發(fā)現(xiàn)protocol還是http1.1，并不是h2，這是怎么回事?這是因為HTTP2新加入了ALPN(Application Layer Protocol Negotiation),從字面意思理解就是應(yīng)用層協(xié)議協(xié)商，即雙方商量下用哪個協(xié)議。不幸的是jdk8是在2014年發(fā)布的，當時HTTP2協(xié)議還沒出生，幸運的是通過第三方j(luò)ar包就可以支持ALPN。另外jdk9已經(jīng)支持了HTTP2，雖然還沒正式發(fā)布，但是我們可以試用下JDK 9 Early-Access Builds。

jdk7和jdk8通過添加jvm參數(shù)加入第三方alpn支持包，注意版本不能搞錯，jdk7使用 alpn-boot-7.*.jar ，jdk8使用 alpn-boot-8.*.jar ，這里有版本對應(yīng)關(guān)系 alpn-versions

 

  1. # jdk8 
  2. -Xbootclasspath/p:/home/payne/Downloads/alpn-boot-8.1.11.v20170118.jar 
  3. # jdk7 
  4. -Xbootclasspath/p:/home/payne/Downloads/alpn-boot-7.1.3.v20150130.jar 
  5. # jdk9 
  6. # 使用jdk9平臺時，注意okhttp版本大于3.3.0  
  7. # https://mvnrepository.com/artifact/org.mortbay.jetty.alpn/alpn-boot 

 

責(zé)任編輯：未麗燕 來源： Payne's Blog
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