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最近一段時間以來，關于HTTP/3的新聞有很多，越來越多的國際大公司已經(jīng)開始使用HTTP/3了。

 

所以，HTTP/3已經(jīng)是箭在弦上了，全面使用只是個時間問題，那么，作為一線開發(fā)者，我們也是時候了解下到底什么是HTTP/3，為什么需要HTTP/3了。

于是，我準備開始寫這篇文章，但是要想把HTTP/3的事情說清楚，一定繞不過的問題就是HTTP/2，所以寫著寫著，篇幅越來越多，于是我就把他們分成了上下兩篇。

這一篇我們主要來回顧下HTTP/2，然后再來重點看一下HTTP/2存在哪些問題，為什么要被棄用。

HTTP/2 輝煌不在?

雖然HTTP/2標準在2015年5月就以RFC 7540正式發(fā)表了，并且多數(shù)瀏覽器在2015年底就支持了。

但是，真正被廣泛使用起來要到2018年左右，但是也是在2018年，11月IETF給出了官方批準，認可HTTP-over-QUIC成為HTTP/3。

2018年的時候，我寫過一篇文章介紹《HTTP/2到底是什么?》，那時候HTTP/2還是個新技術，剛剛開始有軟件支持，短短兩年過去了，現(xiàn)在HTTP/3已經(jīng)悄然而至了。

根據(jù)W3Techs的數(shù)據(jù)，截至2019年6月，全球也僅有36.5%的網(wǎng)站支持了HTTP/2。所以，可能很多網(wǎng)站還沒開始支持HTTP/2，HTTP/3就已經(jīng)來了。

所以，對于很多網(wǎng)站來說，或許直接升級HTTP/3是一個更加正確的選擇。

回顧 HTTP/2

在閱讀本文之前，強烈建議大家先閱讀下《HTTP/2到底是什么?》這篇文章，這里面介紹了HTTP的歷史，介紹了各個版本的HTTP協(xié)議的誕生的背景。

當你讀到這里的時候，我默認大家對HTTP/2有了一定的基本了解。

我們知道，HTTP/2的誕生，主要是為了解決HTTP/1.1中的效率問題，HTTP/2中最核心的技術就是多路復用技術，即允許同時通過單一的HTTP/2.0連接發(fā)起多重的請求-響應消息。

 

同時還實現(xiàn)了二進制分幀、header壓縮、服務端推送等技術。

從HTTP/1.0誕生，一直到HTTP/2，在這24年里，HTTP協(xié)議已經(jīng)做過了三次升級，但是有一個關鍵的技術點是不變的，那就是這所有的HTTP協(xié)議，都是基于TCP協(xié)議實現(xiàn)的。

流水的HTTP，鐵打的TCP。這是因為相對于UDP協(xié)議，TCP協(xié)議更加可靠。

雖然在HTTP/1.1的基礎上推出HTTP/2大大的提升了效率，但是還是有很多人認為這只是個"臨時方案"，這也是為什么剛剛推出沒多久，業(yè)內就開始大力投入HTTP/3的研發(fā)與推廣了。

而這背后的深層次原因也正是因為他還是基于TCP協(xié)議實現(xiàn)的。TCP協(xié)議雖然更加可靠，但是還是存在著一定的問題，接下來具體分析下。

HTTP/2 問題

隊頭阻塞

隊頭阻塞翻譯自英文head-of-line blocking，這個詞并不新鮮，因為早在HTTP/1.1時代，就一直存在著隊頭阻塞的問題。

但是很多人在一些資料中會看到有論點說HTTP/2解決了隊頭阻塞的問題。但是這句話只對了一半。

只能說HTTP/2解決了HTTP的隊頭阻塞問題，但是并沒有解決TCP隊頭阻塞問題!

如果大家對于HTTP的歷史有一定的了解的話，就會知道。HTTP/1.1相比較于HTTP/1.0來說，最主要的改進就是引入了持久連接(keep-alive)。

所謂的持久連接就是：在一個TCP連接上可以傳送多個HTTP請求和響應，減少了建立和關閉連接的消耗和延遲。

 

引入了持久連接之后，在性能方面，HTTP協(xié)議有了明顯的提升。

另外，HTTP/1.1允許在持久連接上使用請求管道，是相對于持久連接的又一性能優(yōu)化。

所謂請求管道，就是在HTTP響應到達之前，可以將多條請求放入隊列，當?shù)谝粭lHTTP請求通過網(wǎng)絡流向服務器時，第二條和第三條請求也可以開始發(fā)送了。在高時延網(wǎng)絡條件下，這樣做可以降低網(wǎng)絡的環(huán)回時間，提高性能。

 

但是，對于管道連接還是有一定的限制和要求的，其中一個比較關鍵的就是服務端必須按照與請求相同的順序回送HTTP響應。

這也就意味著，如果一個響應返回發(fā)生了延遲，那么其后續(xù)的響應都會被延遲，直到隊頭的響應送達。這就是所謂的HTTP隊頭阻塞。

但是HTTP隊頭阻塞的問題在HTTP/2中得到了有效的解決。HTTP/2廢棄了管道化的方式，而是創(chuàng)新性的引入了幀、消息和數(shù)據(jù)流等概念?？蛻舳撕头掌骺梢园? HTTP 消息分解為互不依賴的幀，然后亂序發(fā)送，最后再在另一端把它們重新組合起來。

 

因為沒有順序了，所以就不需要阻塞了，就有效的解決了HTTP隊頭阻塞的問題。

但是，HTTP/2仍然會存在TCP隊頭阻塞的問題，那是因為HTTP/2其實還是依賴TCP協(xié)議實現(xiàn)的。

TCP傳輸過程中會把數(shù)據(jù)拆分為一個個按照順序排列的數(shù)據(jù)包，這些數(shù)據(jù)包通過網(wǎng)絡傳輸?shù)搅私邮斩?，接收端再按照順序將這些數(shù)據(jù)包組合成原始數(shù)據(jù)，這樣就完成了數(shù)據(jù)傳輸。

但是如果其中的某一個數(shù)據(jù)包沒有按照順序到達，接收端會一直保持連接等待數(shù)據(jù)包返回，這時候就會阻塞后續(xù)請求。這就發(fā)生了TCP隊頭阻塞。

HTTP/1.1的管道化持久連接也是使得同一個TCP鏈接可以被多個HTTP使用，但是HTTP/1.1中規(guī)定一個域名可以有6個TCP連接。而HTTP/2中，同一個域名只是用一個TCP連接。

所以，在HTTP/2中，TCP隊頭阻塞造成的影響會更大，因為HTTP/2的多路復用技術使得多個請求其實是基于同一個TCP連接的，那如果某一個請求造成了TCP隊頭阻塞，那么多個請求都會受到影響。

TCP握手時長

一提到TCP協(xié)議，大家最先想到的一定是他的三次握手與四次關閉的特性。

因為TCP是一種可靠通信協(xié)議，而這種可靠就是靠三次握手實現(xiàn)的，通過三次握手，TCP在傳輸過程中可以保證接收方收到的數(shù)據(jù)是完整，有序，無差錯的。

但是，問題是三次握手是需要消耗時間的，這里插播一個關于網(wǎng)絡延遲的概念。

網(wǎng)絡延遲又稱為 RTT(Round Trip Time)。他是指一個請求從客戶端瀏覽器發(fā)送一個請求數(shù)據(jù)包到服務器，再從服務器得到響應數(shù)據(jù)包的這段時間。RTT 是反映網(wǎng)絡性能的一個重要指標。

 

我們知道，TCP三次握手的過程客戶端和服務器之間需要交互三次，那么也就是說需要消耗1.5 RTT。

另外，如果使用的是安全的HTTPS協(xié)議，就還需要使用TLS協(xié)議進行安全數(shù)據(jù)傳輸，這個過程又要消耗一個RTT(TLS不同版本的握手機制不同，這里按照最小的消耗來算)

那么也就是說，一個純HTTP/2的連接，需要消耗1.5個RTT，如果是一個HTTPS連接，就需要消耗3-4個RTT。

而具體消耗的時長根據(jù)服務器和客戶端之間的距離則不盡相同，如果比較近的話，消耗在100ms以內，對于用來說可能沒什么感知，但是如果一個RTT的耗時達到300-400ms，那么，一次連接建立過程總耗時可能要達到一秒鐘左右，這時候，用戶就會明顯的感知到網(wǎng)頁加載很慢。

升級TCP是否可行?

基于上面我們提到的這些問題，很多人提出來說：既然TCP存在這些問題，并且我們也知道這些問題的存在，甚至解決方案也不難想到，為什么不能對協(xié)議本身做一次升級，解決這些問題呢?

其實，這就涉及到一個"協(xié)議僵化"的問題。

這樣講，我們在互聯(lián)網(wǎng)上瀏覽數(shù)據(jù)的時候，數(shù)據(jù)的傳輸過程其實是極其復雜的。

我們知道的，想要在家里使用網(wǎng)絡有幾個前提，首先我們要通過運行商開通網(wǎng)絡，并且需要使用路由器，而路由器就是網(wǎng)絡傳輸過程中的一個中間設備。

中間設備是指插入在數(shù)據(jù)終端和信號轉換設備之間，完成調制前或解調后某些附加功能的輔助設備。例如集線器、交換機和無線接入點、路由器、安全解調器、通信服務器等都是中間設備。

在我們看不到的地方，這種中間設備還有很多很多，一個網(wǎng)絡需要經(jīng)過無數(shù)個中間設備的轉發(fā)才能到達終端用戶。

如果TCP協(xié)議需要升級，那么意味著需要這些中間設備都能支持新的特性，我們知道路由器我們可以重新?lián)Q一個，但是其他的那些中間設備呢?尤其是那些比較大型的設備呢?更換起來的成本是巨大的。

而且，除了中間設備之外，操作系統(tǒng)也是一個重要的因素，因為TCP協(xié)議需要通過操作系統(tǒng)內核來實現(xiàn)，而操作系統(tǒng)的更新也是非常滯后的。

所以，這種問題就被稱之為"中間設備僵化"，也是導致"協(xié)議僵化"的重要原因。這也是限制著TCP協(xié)議更新的一個重要原因。

所以，近些年來，由IETF標準化的許多TCP新特性都因缺乏廣泛支持而沒有得到廣泛的部署或使用!

放棄TCP?

上面提到的這些問題的根本原因都是因為HTTP/2是基于TPC實現(xiàn)導致的，而TCP協(xié)議自身的升級又是很難實現(xiàn)的。

那么，剩下的解決辦法就只有一條路，那就是放棄TCP協(xié)議。

放棄TCP的話，就又有兩個新的選擇，是使用其他已有的協(xié)議，還是重新創(chuàng)造一個協(xié)議呢?

看到這里，聰明的讀者一定也想到了，創(chuàng)造新的協(xié)議一樣會受到中間設備僵化的影響。近些年來，因為在互聯(lián)網(wǎng)上部署遭遇很大的困難，創(chuàng)造新型傳輸層協(xié)議的努力基本上都失敗了!

所以，想要升級新的HTTP協(xié)議，那么就只剩一條路可以走了，那就是基于已有的協(xié)議做一些改造和支持，UDP就是一個絕佳的選擇了。

總結

因為HTTP/2底層是采用TCP協(xié)議實現(xiàn)的，雖然解決了HTTP隊頭阻塞的問題，但是對于TCP隊頭阻塞的問題卻無能為力。

TCP傳輸過程中會把數(shù)據(jù)拆分為一個個按照順序排列的數(shù)據(jù)包，這些數(shù)據(jù)包通過網(wǎng)絡傳輸?shù)搅私邮斩?，接收端再按照順序將這些數(shù)據(jù)包組合成原始數(shù)據(jù)，這樣就完成了數(shù)據(jù)傳輸。

但是如果其中的某一個數(shù)據(jù)包沒有按照順序到達，接收端會一直保持連接等待數(shù)據(jù)包返回，這時候就會阻塞后續(xù)請求。這就發(fā)生了TCP隊頭阻塞。

另外，TCP這種可靠傳輸是靠三次握手實現(xiàn)的，TCP三次握手的過程客戶端和服務器之間需要交互三次，那么也就是說需要消耗1.5 RTT。如果是HTTPS那么消耗的RTT就更多。

而因為很多中間設備比較陳舊，更新?lián)Q代成本巨大，這就導致TCP協(xié)議升級或者采用新的協(xié)議基本無法實現(xiàn)。

所以，HTTP/3選擇了一種新的技術方案，那就是基于UDP做改造，這種技術叫做QUIC。

那么問題來了，HTTP/3是如何使用的UDP呢?做了哪些改造?如何保證連接的可靠性?UDP協(xié)議就沒有僵化的問題了嗎?

這些問題我們在下一篇中深入分析。敬請期待!

 

參考資料：https://http3-explained.haxx.se/https://baike.baidu.com/item/中間設備/3688874https://time.geekbang.org/column/article/150159https://juejin.cn/post/6844903853985366023https://time.geekbang.org/column/article/279164