去年年底，據(jù)國際互聯(lián)網工程任務組( IETF )消息，HTTP-over-QUIC 實驗性協(xié)議將被重命名為 HTTP/3，即有望成為 HTTP 協(xié)議的第三個正式版本，也就是說HTTP/3可能要來了。 該消息是如此的惹人注目，是因為HTTP是我們身邊的協(xié)議，Web應用都離不開它。

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溫故知新，梳理一下過往，或許更能夠理解未來。

HTTP1.x的過往

HTTP協(xié)議大約誕生在我上大一的時候，好像是HTTP0.9，客戶端請求和服務器響應都是ascii碼，客戶端以回車符結尾，服務器返回HTML。后來的HTTP1.0，服務器響應增加了很多狀態(tài)，請求和響應也多了很多的header，響應的內容也不再局限于純文本了。

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HTTP是一個應用層協(xié)議，由請求和響應構成，是一個標準的客戶端服務器模型，是一個無狀態(tài)的協(xié)議。HTTP是建立在TCP之上的，每個請求都要經歷三次握手和慢啟動?？蛻舳耸且罁?jù)域名來向服務器建立連接，一般PC端的瀏覽器支持同域6～8個連接，手機端的連接數(shù)則一般控制在4～6個。連接數(shù)不是越多越好，資源開銷和整體延遲都會隨之增大。

HTTP 1.1 導致了2000年的互聯(lián)網熱潮。HTTP1.1 支持只發(fā)送header信息(不帶任何body信息)，如果服務器認為客戶端有權限請求服務器，則返回100，否則返回401?？蛻舳巳绻邮艿?00，才開始把請求body發(fā)送到服務器。這樣當服務器返回401的時候，客戶端就可以不用發(fā)送請求body了，節(jié)約了帶寬。

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另外HTTP還支持傳送內容的一部分。這樣當客戶端已經有一部分的資源后，只需要跟服務器請求另外的部分資源即可。RANGE:bytes是HTTP/1.1新增內容，HTTP/1.0每次傳送文件都是從文件頭開始，即0字節(jié)處開始。RANGE:bytes=XXX表示要求服務器從文件XXX字節(jié)處開始傳送，這大概就是平時所說的斷點續(xù)傳。

相關的部分協(xié)議標準如下：

現(xiàn)如今，Web應用不再單純是web 網頁，還有支持多設備和多媒體。 一個SPA的應用可能有上百的連接，模塊拆分導致了更多的請求，大部分時間都消耗在網絡上。HTTP 1.x header 往往較大，且無法壓縮。TCP協(xié)議利用過低，不可復用連接，連接數(shù)限制且協(xié)議過于龐大。

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HTTP1.x遇到的問題和解決方案

HTTP1.x主要存在連接無法復用和head of line blocking這兩個問題。在***個請求沒有收到回復之前，后續(xù)從應用層發(fā)出的請求只能排隊。網絡通暢的時候性能影響不大，一旦***個請求沒有抵達服務器，或者response因為網絡阻塞沒有及時返回，就會影響所有后續(xù)請求。

HTTP1.0協(xié)議頭里可以設置Connection:Keep-Alive。在header里設置Keep-Alive可以在一定時間內復用連接，具體復用時間的長短可以由服務器控制，一般在15秒左右，這與運營商蜂窩網絡的linger time相關。HTTP1.1之后Connection的默認值就是Keep-Alive，如果要關閉連接復用需要顯式的設置Connection:Close。這對PC端瀏覽器的體驗幫助很大，因為大部分的請求在集中在一小段時間以內。但移動app的請求比較分散且時間跨度相對較大，一般會從應用層尋求其它解決方案，長連接方案或者偽長連接方案。

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為了解決HTTP連接復用，可以采用長輪詢，HTTP streaming和websocket等方式。

和傳統(tǒng)的HTTP短鏈接相比，長連接輪詢會在用戶增長的時候極大的增加服務器壓力。移動端網絡環(huán)境復雜，像wifi和4g的網絡切換等，這些場景都需要考慮重建連接。長輪詢方式穩(wěn)定性并不好，需要做好數(shù)據(jù)可靠性的保證，比如重發(fā)和ack機制。而且，response有可能會被中間代理cache住，要處理好業(yè)務數(shù)據(jù)的過期機制。

HTTP streaming是通過在server response的頭部里增加"Transfer Encoding: chunked"來告訴客戶端后續(xù)還會有新的數(shù)據(jù)。如果永遠不會結束，客戶端就會一直處于等待response的過程中。代理服務器會等待服務器的response結束之后才會將結果推送到請求客戶端。對于streaming這種業(yè)務數(shù)據(jù)無法按照請求來做分割，所以客戶端每收到一塊數(shù)據(jù)都需要自己做協(xié)議解析。顯然這個數(shù)據(jù)通道也是單向的，還有個缺陷就是不會產生重復的header數(shù)據(jù)。

websocket提供雙向的數(shù)據(jù)通道，優(yōu)勢在于提供了message的概念，比基于字節(jié)流的tcp socket使用更簡單，同時又提供了傳統(tǒng)的HTTP所缺少的長連接功能。但代價相對較高，基于tcp的socket編程技術難度相對復雜很多，而且需要自己制定協(xié)議。

HTTP/2 要點

HTTP2.0是以SPDY為原型進行討論和標準化的，采用二進制格式傳輸數(shù)據(jù)，而非 HTTP/1.x 的文本格式。請求和響應都統(tǒng)一為流，對消息頭采用 HPACK 進行壓縮傳輸，能夠節(jié)省消息頭占用的網絡的流量。多路復用，就是所有的請求都是通過一個 TCP 連接并發(fā)完成，并支持Server Push和基于優(yōu)先級的流量控制。

HTTP/2 中的幀

幀(frame)是HTTP2中最小的通信單位，每個幀都會有幀header，每個幀用來承載HTTP header 或負荷數(shù)據(jù)，或其他特定類型的幀。幀是遵循二進制編碼的。幀格式如下：

length定義了整個幀的長度，type定義幀主要有10種的類型：

flags用位定義了一些重要的參數(shù),stream id用作流控制，而payload才是請求的正文。

雖然協(xié)議的格式和HTTP1.x完全不同了，但并沒有改變HTTP1.x的語義，只是把原來HTTP1.x的header和body部分用frame重新封裝了一層而已。調試的時候瀏覽器甚至會把HTTP2.0的frame自動還原成HTTP1.x的格式。HTTP2.0與HTTP1.0的對比如下：

HTTP/2 中的header 壓縮

HTTP1.x的header由于cookie和user agent很容易變得較大，而且每次都要重復發(fā)送。HTTP/2使用encoder來減少需要傳輸?shù)膆eader大小，通訊雙方各自cache一份header fields表，既避免了重復header的傳輸，又減小了需要傳輸?shù)拇笮　８咝У膲嚎s算法可以很大的壓縮header，減少發(fā)送包的數(shù)量從而降低延遲。

HTTP/2中的HPACK使用一份索引表來定義常用的 HTTP Header,保留原有的header list的順序,通過索引鍵值壓縮。 靜態(tài)表中包含了一些預定義的header字段，動態(tài)表默認是空的，會在頭部解壓縮的時候確定是否添加entry?？蛻舳撕头掌鞫耸褂胔eader表來跟蹤和存儲之前發(fā)送的每一個鍵值對。在tcp連接期間，二者共同維護和更新。對于無法用索引替代的字符，有的會采用哈夫曼編碼壓縮。

HTTP/2 中的多路復用

把HTTP 消息分解為獨立的幀，交錯發(fā)送，然后在另一端根據(jù)Stream ID 重新組裝是HTTP 2.0 最重要的一項增強。每個 Frame Header 都有一個 Stream ID。每次請求/響應使用不同的 Stream ID。通過 Stream ID 標識，所有的請求和響應都可以同時跑在一個TCP 連接上了。 下圖是 HTTP 和 spdy的并發(fā)模型對比：

和一般TCP連接釋放一樣，如果客戶端沒有數(shù)據(jù)要請求，或服務端數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，會主動發(fā)送關閉連接的報文?；蛘呤欠斩诉B續(xù)發(fā)送探測報文，客戶端無響應，服務端就關閉了這個連接。

當流并發(fā)時，就會涉及到流的優(yōu)先級和依賴。優(yōu)先級高的流會被優(yōu)先發(fā)送。每個HTTP/2流里面可以帶有優(yōu)先級(31位，0為優(yōu)先級***)的值，這個值確定著客戶端和服務器處理不同的流采取不同的優(yōu)先級策略，高優(yōu)先級的流都應該優(yōu)先發(fā)送。圖片請求的優(yōu)先級要低于CSS和SCRIPT腳本，這可以確保重要的東西可以被優(yōu)先加載。，但又不會絕對的，絕對地遵守可能又會引入隊列阻塞的問題：高優(yōu)先級的請求慢導致阻塞其他資源交付。

從tcp連接和網絡來看，優(yōu)先級使得網絡擁塞得到改善，慢啟動時間減少，擁塞和丟包恢復速度變快。

HTTP/2 中的Push

Server Push 就是服務器向客戶端推送資源而無需客戶端明確地請求，或者服務器可以對一個客戶端請求發(fā)送多個響應。

當服務端需要主動推送某個資源時，便會發(fā)送一個 Frame Type 為 PUSH_PROMISE 的 幀，里面帶了 PUSH 需要新建的 Stream ID。客戶端解析 幀時，發(fā)現(xiàn)它是一個 PUSH_PROMISE 類型，便會準備接收服務端要推送的流。

HTTP/2連接建立后，客戶端與服務器交換SETTINGS 幀，以此來限定雙向并發(fā)流的***數(shù)量。因此，客戶端可以限定推送流的數(shù)量，或者通過把這個值設置為0，完全禁用服務器推送，而且，所有推送的資源都遵守同源策略。服務器不能隨便將第三方資源推送給客戶端，而必須是經過雙方確認才行。

所有服務器推送流都由PUSH_PROMISE 發(fā)起，PUSH_PROMISE 幀必須在返回響應之前發(fā)送，以免客戶端出現(xiàn)競態(tài)條件。客戶端接收到PUSH_PROMISE 幀之后，可以視自身需求選擇拒絕這個流。

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基于HTTP/2的開發(fā)

HTTP/2 已經得到了較為廣泛的支持，服務器的支持包括：

• Apache HTTP Server 2.4.17+
• Apache Tomcat 8.5+
• NGINX 1.9.5+
• 面向PHP的Swoole
• 面向Python 的Twisted
• ...

支持HTTP/2的客戶端包括：

• Chromium
• Mozilla Firefox
• curl and libcurl
• OkHTTP (java ，Android)
• 面向Obj-C/swift 的 WKWebView
• ...

客戶端與服務器同時支持HTTP/2的包括：

• Jetty/Netty
• lua-HTTP
• Node.js 8.4.0+
• 面向perl 的 Protocol::HTTP2
• 面向Go 的HTTP2
• ...

支持HTTP/2的代理中介包括：

• HAProxy
• ngHTTP2
• GFE
• ...

詳情可以參考HTTPs://github.com/HTTP2/HTTP2-spec/wiki/Implementations。

調試工具可以使用chrome的瀏覽器以及Wireshark等等。

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在開發(fā)中使用了HTTP/2 并不是萬事大吉了，在HTTP1.X 中的一些優(yōu)化還需要繼續(xù)使用，例如減少DNS查詢和重定向，CDN的使用，對代碼、圖片等資源的壓縮，對文本開啟GZip，以及使用HTTP的緩存機制(Expires/Cache-Control和Last-Modified / ETag)等等。對于那些可以感知緩存的資源內聯(lián)或者Push 消息，可以利用cookie 協(xié)助用戶標記。

由于HTTP/2基于單個TCP連接，容易受到 Head of Line Blocking 的影響，從而導致傳輸速度受限，還會受到TCP丟包的影響，所以HTTP/2在資源數(shù)量較少的網站可能效果不明顯。TCP協(xié)議的升級依賴于操作系統(tǒng)內核的升級，尤其是網絡操作系統(tǒng)的升級往往不可控，因此業(yè)界開始重新審視UDP， HTTP/3 所使用的QUIC 就是基于UDP協(xié)議的。

HTTP/3 何時才能實施呢?整個互聯(lián)網支持HTTP/3 可能還需要一段不短的時間吧!

參考資料：

• 《HTTP 權威指南》
• HTTPs://HTTP2.akamai.com/demo
• HTTP://HTTP2.loadimpact.com/entry/
• RFC 7540 - Hypertext Transfer Protocol Version 2 (HTTP/2)
• RFC 7541 - HPACK: Header Compression for HTTP/2

【本文來自51CTO專欄作者“老曹”的原創(chuàng)文章，作者微信公眾號：喔家ArchiSelf,id:wrieless-com】

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