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HTTP是现代互联网通信的基础协议之一#xff0c;早在1991年#xff0c;HTTP/0.9版本就诞生了#xff0c;之后又陆续发布了HTTP/1.0和HTTP/1.1#xff0c;为互联网应用提供了更高效和可靠的通信方式。 随着时间的推移#xff0c;互联网的规模和复杂性不断扩大#x…前言
HTTP是现代互联网通信的基础协议之一早在1991年HTTP/0.9版本就诞生了之后又陆续发布了HTTP/1.0和HTTP/1.1为互联网应用提供了更高效和可靠的通信方式。 随着时间的推移互联网的规模和复杂性不断扩大HTTP/1.1的一些限制也逐渐显现出来例如串行的请求-响应机制、头部冗余和响应阻塞等。这些问题影响了网页加载速度、性能和用户体验。 为了克服这些挑战并引领下一代Web协议的发展HTTP2在2015年正式发布。
HTTP2
在HTTP2出现之前HTTP一直都是一个基于文本的协议这种协议足够简单、对人类而言具备良好的可读性但是对于计算机而言处理的效率就不高了。所以HTTP2在数据传输上做了大刀阔斧的改动从一个文本协议升级为二进制协议且带来了很多新特性。
多路复用
多路复用功能是HTTP2最重要的特性之一它彻底改变了HTTP/1.1中的串行请求-响应模型允许多个请求和响应同时在一个TCP连接上进行交互。 在HTTP/1.1中一个TCP连接上同时只能有一个请求-响应整体是串行的尽管连接可以复用但是如果有任何一个请求因为处理过慢或网络原因发生阻塞就会导致队头阻塞Head-of-line blocking或缩写为HOL后续请求除了干等什么也做不了TCP连接没有得到有效的利用。 为了解决这个问题HTTP2针对每一个物理连接可以同时打开多个流Stream消息都是基于Stream去发送的。这使得在同一个TCP连接上可以并发进行请求-响应资源得到更有效的利用。
Stream
Stream是逻辑上的概念一个TCP连接上可以同时打开多个Stream大多数Web服务的默认配置是可以同时打开100/128个Stream。 每个Stream都有一个唯一的标识符StreamID用于区分不同的Stream。Stream的开启可以由客户端发起也可以由服务端开启为了StreamID不发生冲突客户端使用奇数递增的方式服务端使用偶数递增的方式。0号Stream比较特殊它用来对整个TCP连接进行设置。 每个流都是独立的有自己的流控设置包括流的优先级、流的权重等。通过设置流的优先级可以确保服务器在处理多个流时能够优先处理重要的请求提高了资源的利用效率。
流量控制
HTTP1.x时代一个连接上同时只能处理一个请求-响应流量控制直接依赖于底层TCP协议即可当一方缓冲区满时就会开始丢包另一方则会停止发送数据等待有更大的窗口再继续发送。 对于HTTP2来说因为有多路复用TCP的流控就显得不够用了所以HTTP2有了自己的更精细化的流量控制。 HTTP2的流控采用滑动窗口的设计连接建立后双方发送的第一个Frame一定是SETTINGSFrame用于对连接进行配置其中一个属性SETTINGS_INITIAL_WINDOW_SIZE用于设置初试窗口大小默认是65535字节。发送方每次发送数据都会减小窗口大小当窗口为0时发送方必须停止发送数据等待对方发送WINDOW_UPDATEFrame调整窗口大小后才能继续发送。 除此之外还有流优先级控制。每个流都可以分配一个优先级用于指示请求的重要性。优先级通过整数表示数值越小表示优先级越高。接收方可以根据优先级来调度处理请求优先级较高的请求将被优先处理。 通过流量控制机制HTTP2 能够更好地适应不同网络环境和处理能力提高传输效率和用户体验。它可以防止发送方过度发送数据导致接收方不堪重负同时也可以确保优先处理重要请求提高整体性能。
Frame
HTTP2在消息结构上并没有做太大的改动对于请求/响应来说依然有头部和消息体只是在数据的传输上HTTP2采用了消息分帧发送的方式。 Frame帧是HTTP2通信的最小单位HTTP2定义了种不同类型的Frame每个类型都有特定的用途和结构。
Frame类型描述DATA传输实际的数据HEADERS传输请求或响应的头部信息PRIORITY指定请求的优先级RST_STREAM取消或重置一个流SETTINGS协商连接参数PUSH_PROMISE服务器主动推送资源给客户端GOAWAY告知对端连接即将关闭WINDOW_UPDATE更新流或连接的窗口大小CONTINUATION继续发送大型首部块用于超过单个HEADERS帧大小限制的情况
Frame的通用结构如下
-----------------------------------------------
| Length (24) |
---------------------------------------------
| Type (8) | Flags (8) |
------------------------------------------------------------
|R| Stream Identifier (31) || Frame Payload (0...) ...|
---------------------------------------------------------------字段长度位描述Length24Frame有效载荷的长度不包括Frame头的9个字节Type8Frame的类型Flags8携带关于Frame的额外信息和控制选项Reserved Bit1保留位未使用Stream Identifier31与Frame相关联的HTTP/2流的标识符唯一标识一个流Payload可变根据Frame类型和长度不同携带不同的信息
为了传输不同的数据HTTP2定义了不同类型的Frame不同类型的Frame职责明确结构清晰相较于HTTP/1.1使用换行符来区分头部和消息体Frame显得更加高效且不容易出错。
头部压缩
HTTP/1.1协议中只有消息体支持压缩头部是不支持压缩的。但现实情况是对于每一次请求头部信息有大量重复的数据例如Host、Accept、User-Agent等这些数据几乎每次请求都不会变但是每次都需要传输给对方如果能将这些数据压缩传输可以进一步提高协议的效率。 在HTTP2中头部终于也支持压缩了HTTP2中使用的头部压缩算法称为HPACK。HPACK使用了两个重要的机制来减小头部信息的大小首先它使用了静态表和动态表来存储常见的头部字段这些字段只需发送一次并在整个会话中重复使用其次HPACK使用基于差异编码的技术将头部字段与之前发送的字段进行比较并只发送增量部分。 静态表是在HTTP/2规范中定义的一个固定的头部字段集合包含了常见的HTTP头部字段例如content-type、content-length等。使用静态表时只需发送静态表中字段的索引号而不需要发送完整的字段名称和值。 动态表是根据实际请求和响应中出现的头部字段动态生成的并在整个会话中进行维护。每当遇到一个新的头部字段时会将其添加到动态表中并为其分配一个索引号。当再次遇到相同的头部字段时只需发送该字段的索引号和增量部分。 头部压缩不仅减小了请求和响应的大小还显著降低了网络传输延迟和带宽消耗。同时由于头部压缩是在传输层进行的应用层的逻辑不需要任何更改开发人员可以相对轻松地迁移到HTTP2协议。
服务端推送
在HTTP/1.1协议中请求只能由客户端发起服务端负责响应请求服务端没法主动推送资源给客户端。HTTP2开始支持服务端推送了。 服务端推送 允许服务器在客户端请求之前将额外的资源主动推送给客户端。这意味着服务器可以预测客户端可能需要的资源并主动发送而无需等待客户端显式请求。 例如浏览器请求首页HTML首页会额外依赖其它的CSS/JS等资源此时服务端就可以直接推送这些额外的资源浏览器下次请求时就可以直接从缓存里获取到了减少了往返时间提高页面的加载速度。 遗憾的是目前主流网站对服务端推送的支持并不好原因是很难精准的提前预测客户端要请求的资源如果推送了客户端不需要的资源反而是个负担。
常用的Frame
Frame是HTTP2通信的最小单位HTTP2定义了种不同类型的Frame这里介绍几个常见的Frame。
SETTINGS
SETTINGS Frame是客户端和服务端必须发送的第一个Frame。 TCP连接建立完毕后双方会发送SETTINGS Frame来对连接进行配置。SETTINGS Frame结构如下
SETTINGS Frame {Length (24),Type (8) 0x04,Unused Flags (7),ACK Flag (1),Reserved (1),Stream Identifier (31) 0,Setting (48) ...,
}Setting {Identifier (16),Value (32),
}前64Bit是通用结构Payload部分是若干个键值对。一个键值对由48Bit构成前16Bit是Key后32Bit是Value。
ID标志位默认值说明SETTINGS_HEADER_TABLE_SIZE0x14,096请求头表最大大小和HPACK压缩有关SETTINGS_ENABLE_PUSH0x21是否允许推送SETTINGS_MAX_CONCURRENT_STREAMS0x3-允许的最大并发流数SETTINGS_INITIAL_WINDOW_SIZE0x465,535初始窗口大小SETTINGS_MAX_FRAME_SIZE0x516,384最大Frame大小SETTINGS_MAX_HEADER_LIST_SIZE0x6-头列表的最大大小
HEADERS
SETTINGS Frame发送完连接就配置好了。接下来就可以发起请求了。 HTTP请求从一个HEADERS Frame开始。HEADERS Frame结构如下
HEADERS Frame {Length (24),Type (8) 0x01,Unused Flags (2),PRIORITY Flag (1),Unused Flag (1),PADDED Flag (1),END_HEADERS Flag (1),Unused Flag (1),END_STREAM Flag (1),Reserved (1),Stream Identifier (31),[Pad Length (8)],[Exclusive (1)],[Stream Dependency (31)],[Weight (8)],Field Block Fragment (..),Padding (..2040),
}PADDEDFlag用来设置是否有填充数据Pad Length代表填充数据长度Padding是填充数据全都是0。填充数据没有任何含义只是出于安全考虑用来隐藏真实的消息长度。PRIORITYFlag用来设置资源请求的优先级。END_HEADERSFlag用来设置当前Frame包含请求的所有头部后续没有CONTINUATION Frame了。END_STREAMFlag用来结束流代表后续没有DATA Frame了。 Tips如果头部非常大一个Frame塞不下HEADERS Frame后面会紧跟一个CONTINUATION Frame而不是多个HEADERS Frame这点要注意。 Field Block Fragment部分解码后就是我们常见HTTP头部如下示例
:method: GET
:path: /
:scheme: https
:authority: www.taobao.com
accept: */*
accept-encoding: gzip, deflate
user-agent: nghttp2/1.45.1DATA
在HTTP1协议中头部和消息体是通过换行符来区分的到了HTTP2是通过Frame类型区分的。 一般情况下HEADERS Frame后面跟着的就是DATA Frame了它用来发送消息体结构如下
DATA Frame {Length (24),Type (8) 0x00,Unused Flags (4),PADDED Flag (1),Unused Flags (2),END_STREAM Flag (1),Reserved (1),Stream Identifier (31),[Pad Length (8)],Data (..),Padding (..2040),
}DATA Frame极其简单只有真实数据和填充数据。因为是二进制的所以你可以用DATA Frame来传输任何格式的数据可以是HTML、图片、视频、音频等等。
PADDEDFlag是否包含填充数据。END_STREAMFlag流结束当前Frame是最后一个。 关于其它Frame的定义请参考https://httpwg.org/specs/rfc9113.html#FrameTypes
