高性能浏览器-HTTP 2.0

HTTP 2.0 将会使应用程序更快、更简单、并且更健壮。HTTP 2.0的首要目标通过请求-响应多路复用，报头压缩，优先级控制、服务器推送来减少延时。为了达到这个目的，HTTP 2.0需要支持大量的路I量控制、错误异常处理以及协议升级机制。

HTTP 2.0 没有改变http1.x中methods, status codes, URIs, header fields这些元数据的语义。但是改变这些数据的传输方式。

HTTP 2.0 发展历史以及与SPDY关系

spdy 是google 在2009年中开发的实验性的协议，旨在通过解决HTTP 1.1中一些性能限制以降低网页的加载时间，它的大概要达到的目标有：

降低50%的页面加载时间
不要站点维护人员进行内容改变
简化部署复杂度，避免网络拓扑变化
与开源组织合作
搜集实验数据验证该协议

提出该协议后没多久，很快谷歌就公布是SPDY实验结果以及源码；

2012年，包括chrome,firefox opera等其他站点都以及支持了SPDY；同年，HTTP Working Group已经准备将SPDY吸收到HTTP 2.0的官方标准中，之后HTTP-WG提出多次草案：

• March 2012: Call for proposals for HTTP 2.0

• September 2012: First draft of HTTP 2.0

• July 2013: First implementation draft of HTTP 2.0

• April 2014: Working Group last call for HTTP 2.0

• November 2014: Submit HTTP 2.0 to IESG as a Proposed Standard

设计和技术标准：

二进制帧：

HTTP2 性能提升的核心是全新的二进制帧分层，客户端和服务端必须使用新的二进制编码方式同对端通信，下图描述了http消息在客户端和服务端间如何分装和传输：

二进制帧层只设计在socket收发层和HTTP层之间，对http原来的语义，比如verbs,method和报头没有影响，但是在传输过程的编码方式不同，比如http1.x中使用的换行符，在http2通信中则被拆成更小的二进制消息和帧；

流，消息和帧

流：

一个tcp连接内的双向字节流；

消息：

一个对应着逻辑消息的完整的一系列帧；

帧：

HTTP 2.0 最小的传输单位，每个帧都包含一个帧头，标识了每个帧属于哪个流；

HTTP2.0的通信是在一个tcp连接中进行的，每个连接可以包含人一个流。相应的，每个流通过消息通信，每个消息由帧组成，流之间可以相互交错并且通过帧头中的流标识进行重组。

HTTP 2.0 主要特征总结：

所有通信只在一个TCP连接中进程
流在连接中是一个虚拟的通道，每个流携带者双向的信息。每个流程有着唯一的id (1, 2, …, N).
消息是一个逻辑的http消息，比如请求或者响应，它们由一个或者多个帧组成。
帧是最小的通信单位，携带者指定的数据，比如http报头或者负载等。

简单的说，HTTP 2.0将http协议拆分成了多个独立的帧，每个帧对应着一个逻辑的流。一个tcp连接中每个流可以并行的进行传输。

请求响应多路复用

HTTP/1.x 中，客户端可以通过使用多tcp连接让请求并行，但是请求是按顺序发送，同一个时间只能有一个响应返回。这种方式更不利的地方是，在http层产生了线头阻塞（只要某个响应卡住，其他相应也会卡住），另外也无法充分利用tcp的最大性能（每个连接都要通过慢启动方式来增大窗口来提高吞吐）

HTTP2.0 引入帧的概念消除了这个限制，通过将http消息拆成独立的、可交错的、可重组的帧，让所有的请求和响应都可以多路复用。

如上图，客户端发送一个DATA frame (stream 5)给服务端，服务端为流1和流3发送一系列交错的帧给客户端。如此，就有三对请求-响应在并行的传输了。

将http消息拆分成了多个独立、可交错、可重组的帧，是http 2.0最大改进；这些特性带来如下好处：

让请求和响应多路复用，而不用担心线头阻塞问题
只要用一个tcp连接就可以进行多个请求-响应通信，降低系统负载；
降低页面加载时间，减少不必要的延时

请求优先级

HTTP消息可以拆分成多个独立帧，帧发送的顺序将会影响应用程序的性能。为了控制帧顺序，每个流都可以赋予一个31位的优先级。

• 0表示着最高优先级

• 2^31 - 1 表示最低优先级

客户端和服务端可以应用不同的策略去用于控制流、消息和帧，服务器可以根据CPU、内存、带宽来标识优先级；如果响应数据已经到达，应该提升优先级发送给客户端。

单TCP连接

有了帧的特新，服务端和客户端只要保持一个长连接，就可以完成请求-响应多路复用，带来的好处是，减少socket的数量，减少内存使用，更大的tcp吞吐，减少网络拥塞，减少慢启动带来的影响。大多数的http消息都是简短的，突发的，只用一个连接能更充分使用tcp性能(但只使用一个连接的HTTP 2.0 ，不能缩短网络延时（受限光速），但能提高网络吞吐率以及减少不必要的消耗)；

HTTP 2.0 使用单连接，也有一些潜在的缺点：

单连接解决了HTTP层的线头阻塞，但没有解决tcp层的线头阻塞（反而比多连接影响更大）；
如果没有启用window scaling特性（窗口最大只有64k了），带宽延迟积将会限制连接吞吐率；
当发生丢包，拥塞窗口减小，连接的吞吐率会大大降低；

虽然性能过于依赖TCP和网络，但是实际实验过程中，使用单连接性能仍然比多连接好许多。HTTP 2.0解决了许多性能瓶颈，但是TCP将会是最后一个瓶颈。关于tcp优化的解决方案有TCP Fast Open, Proportional Rate Reduction, increased initial congestion window等等。

流量控制

单连接会引起多路复用产生对共享tcp资源的竞争，虽然优先级策略解决了资源的发送顺序，但不能很好解决多流之间的流控问题。因此，HTTP 2.0 引入了一个简单的机制来解决多流间的流控问题。

流控是hop by hop,不是end to end
流控是基于window update帧，接收端通告对端在这条流或者整个链接中它将接收多少字节
流控通过WINDOW_UPDATE帧更新，其中指定了流id和窗口增大值
流控具有方向的，接收端可以为每个流选择设置任意大小窗口大小
流控可以被接收端禁止，可以是一条流也可以是整个连接。

当HTTP 2.0连接建立是，两端会交换setting帧，其中包含了窗口大小。当然任意一端也可以为某条流或者整个链接禁止流控功能。Tcp的窗口控制不能基于每个流来控制，这也是HTTP 2.0 需要流控的原因。

HTTP 2.0协议没有指定具体算法、值或者window update何时发送，实现中可以根据使用情况和性能来设置。

服务端推送

HTTP 2.0 有个强大功能，可以对一个请求发送除了对应的响应外，还会发送多个其他相关文件响应。多余的响应是和请求是相关的。服务端可以把请求的其他关的资源推送的客户端，而不用等待客户端一一请求。

服务端推送带来了一下几个好处：

推送资源可以被客户端缓存
推送资源可以被客户端拒绝
推送资源可以被多个页面复用
推送资源可以被服务端优先处理

PUSH_PROMISE

所有推送流都是通过PUSH_PROMISE帧启动，PUSH_PROMISE帧只是包含了推送资源的http报头。

客户端收到了推送帧，客户端可以选择拒绝该流（比如该资源已经被客户端缓存）。

服务端必须遵循请求-响应的规则，只有收到请求后才可以发送推送帧，而不能任意发送推送帧。推送内容必须在它本身请求之前被发送。

报头压缩

HTTP传输携带着一些列报头，这些报头描述了需要传输的资源以及资源的属性，在HTTP/1.x中这些语义都是用明文来表示并且这些报头让每个请求会增加500-800个字节大小，如果携带了cookies将会增加上千字节的数据。为了减少这些报头，并且提升性能，HTTP/2.0压缩了这些报头:

不用为每个请求和响应传输相同的数据，HTTP 2.0使用了 "header table"，同时在服务端和客户端引用和存储这些key-value 对。
Header table 在整个连接过程有效，客户端和服务端也可以进行增量更新。
一个新的key-value 可以添加到表的末端，也替换掉表中的旧值。

如此，收发两端就可以知道已经发送了那些报头以及对应的value，这样新报头就可以根据就得报头信息，发送不一样的键值对信息即可，如下图：

这个例子中，第二个请求只要发送发生改变的path报头，如此减少了重复报头发送量。一般情况下键值对在整个连接过程几乎不发生改变(如user-agent, accept header)。相同报头只要发送一次，如果报头都未发生变化，请求将继承之前请求的报头信息。

HTTP 2.0 升级和发现

切换到HTTP 2.0不可能在一夜之前发生，有数百万计的服务器，数亿计的客户端需要更新浏览器或者网络库。

http 2.0支持兼容模式的切换方式，客户端需要在连接启动阶段判断服务端是否支持HTTP 2.0; 需要考虑一下三种场景：

TLS 和ALPN方式启动https连接
序言方式启动http连接
没有序言方式启动连接

ALPN 用于发现HTTPS连接是否支持HTTP 2.0的TLS扩展头，可以在HTTPs连接握手阶段判断是否支持HTTP2.0，以减少延时。

明文方式启动的http将会费事些，HTTP/1.x 和HTTP 2.0都运行在80端口，没有其他信息可以用于判断是否支持HTTP2.0

客户端将会用一种 Upgrade 升级机制来协商出一种合适的协议：

GET /page HTTP/1.1

Host: server.example.com

Connection: Upgrade, HTTP2-Settings

Upgrade: HTTP/2.0 (1)

HTTP2-Settings: (SETTINGS payload) (2)

HTTP/1.1 200 OK (3)

Content-length: 243

Content-type: text/html

(... HTTP 1.1 response ...)

(or)

HTTP/1.1 101 Switching Protocols (4)

Connection: Upgrade

Upgrade: HTTP/2.0

(... HTTP 2.0 response ...)

http 1.1请求携带 HTTP2.0升级报头
HTTP2.0 SETTING携带 Base64编码的URL
服务器拒绝升级，返回http 1.1响应
服务器接受HTTP 2.0升级，切换到新框架

二进制帧简介

带长度表示的二进制帧是HTTP 2.0的核心改进点。与 HTTP/1.x使用换行分隔符相比，二进制帧提供了更加简洁的方式，代码上也更加简单和高效。一旦HTTP 2.0连接建立后，客户端和服务端通过帧来通信。每个帧都带有一个8字节的头部，包含了帧的长度和帧类型，一个标志位和一个31位的流id。

16位长度位，一个帧最大可以携带2^16 -1 长度数据，不包括8字节帧头
8位类型
8位标志位
一个保留位（一直为0）
31位流唯一标识

有以下几种帧类型：

DATA ：数据帧用于传输HTTP body消息

HEADERS : 报头帧由键值对（name-value）组成，用来打开一个流

PRIORITY : 优先级帧明确了发送者建议的流的优先

RST_STREAM ：终止帧用于终止一条流

SETTINGS ：设置帧设置两端通讯的参数

PUSH_PROMISE：推送承诺帧用来告知接收端准备稍后推送数据

PING ：ping帧用于衡量两端rtt

GOAWAY : 超时帧用于通知接收端不要在当前连接上创建新流。但之前的流仍可以继续处理

WINDOW_UPDATE：窗口更新帧用来实现流量控制，包含对单个流或整个连接的控制，但只能影响DATA帧的传输

CONTINUATION: 延续帧用来延续一个报头块片段。

启动一条新流

应用程序在发送数据前，必须创建一条流，指明优先级或者发送报头等。HTTP 2.0中，客户端和服务端都可以启动新流：

客户端通过发送报头帧启动一个请求，报头帧包含一个流ID，一个可选的31位优先级和一系列http报头键值对。

服务端通过发送一个承诺推送帧来启动一个推送流，几乎和报头帧一样，但多包含了一个承诺流的id，取代爆头战中的优先级值

为了避免流id冲突，客户端启动新流只取奇数id，服务端启动新流只取偶数id；流的元数据和应用程序数据是分开发送的，客户端和服务端可以使用不同的优先级，比如流控可以使用更高的优先级，流控只用于数据帧

数据发送

流一旦创建并且报头已经发送， http数据就可以发送了，数据可以拆成多个数据帧发送，最后一个数据帧打上END_STREAM标记。

严格来说，数据帧长度可以达到2^16-1(65535))，但是为了避免线头阻塞， HTTP 2.0协议规定最大长度是2^14 -1 (16383),超过最大值就要拆成多个数据帧。

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