一文读懂 HTTP/2 特性

一文读懂 HTTP/2 特性

HTTP/2 是 HTTP 协议自 1999 年 HTTP 1.1 发布后的首个更新,主要基于 SPDY 协议。由互联网工程任务组(IETF)的 Hypertext Transfer Protocol Bis(httpbis)工作小组进行开发。该组织于2014年12月将HTTP/2标准提议递交至IESG进行讨论,于2015年2月17日被批准。HTTP/2标准于2015年5月以RFC 7540正式发表。

那 HTTP/2 到底有哪些具体变化呢?


二进制分帧

先来理解几个概念:

帧:HTTP/2 数据通信的最小单位消息:指 HTTP/2 中逻辑上的 HTTP 消息。例如请求和响应等,消息由一个或多个帧组成。

流:存在于连接中的一个虚拟通道。流可以承载双向消息,每个流都有一个唯一的整数ID。

HTTP/2 采用二进制格式传输数据,而非 HTTP 1.x 的文本格式,二进制协议解析起来更高效。 HTTP / 1 的请求和响应报文,都是由起始行,首部和实体正文(可选)组成,各部分之间以文本换行符分隔。HTTP/2 将请求和响应数据分割为更小的帧,并且它们采用二进制编码。

HTTP/2 中,同域名下所有通信都在单个连接上完成,该连接可以承载任意数量的双向数据流。每个数据流都以消息的形式发送,而消息又由一个或多个帧组成。多个帧之间可以乱序发送,根据帧首部的流标识可以重新组装。


多路复用

多路复用,代替原来的序列和阻塞机制。所有就是请求的都是通过一个 TCP连接并发完成。 HTTP 1.x 中,如果想并发多个请求,必须使用多个 TCP 链接,且浏览器为了控制资源,还会对单个域名有 6-8个的TCP链接请求限制,如下图,红色圈出来的请求就因域名链接数已超过限制,而被挂起等待了一段时间:

在 HTTP/2 中,有了二进制分帧之后,HTTP /2 不再依赖 TCP 链接去实现多流并行了,在 HTTP/2中:

  • 同域名下所有通信都在单个连接上完成。
  • 单个连接可以承载任意数量的双向数据流。
  • 数据流以消息的形式发送,而消息又由一个或多个帧组成,多个帧之间可以乱序发送,因为根据帧首部的流标识可以重新组装。

这一特性,使性能有了极大提升:

  • 同个域名只需要占用一个 TCP 连接,消除了因多个 TCP 连接而带来的延时和内存消耗。
  • 单个连接上可以并行交错的请求和响应,之间互不干扰。
  • 在HTTP/2中,每个请求都可以带一个31bit的优先值,0表示最高优先级, 数值越大优先级越低。有了这个优先值,客户端和服务器就可以在处理不同的流时采取不同的策略,以最优的方式发送流、消息和帧。


服务器推送

服务端可以在发送页面HTML时主动推送其它资源,而不用等到浏览器解析到相应位置,发起请求再响应。例如服务端可以主动把JS和CSS文件推送给客户端,而不需要客户端解析HTML时再发送这些请求。

服务端可以主动推送,客户端也有权利选择是否接收。如果服务端推送的资源已经被浏览器缓存过,浏览器可以通过发送RST_STREAM帧来拒收。主动推送也遵守同源策略,服务器不会随便推送第三方资源给客户端。

了解更多 Server Push 特性

头部压缩

HTTP 1.1请求的大小变得越来越大,有时甚至会大于TCP窗口的初始大小,因为它们需要等待带着ACK的响应回来以后才能继续被发送。HTTP/2对消息头采用HPACK(专为http/2头部设计的压缩格式)进行压缩传输,能够节省消息头占用的网络的流量。而HTTP/1.x每次请求,都会携带大量冗余头信息,浪费了很多带宽资源。

HTTP每一次通信都会携带一组头部,用于描述这次通信的的资源、浏览器属性、cookie等,例如

为了减少这块的资源消耗并提升性能, HTTP/2对这些首部采取了压缩策略

  • HTTP/2在客户端和服务器端使用“首部表”来跟踪和存储之前发送的键-值对,对于相同的数据,不再通过每次请求和响应发送;
  • 首部表在HTTP/2的连接存续期内始终存在,由客户端和服务器共同渐进地更新;
  • 每个新的首部键-值对要么被追加到当前表的末尾,要么替换表中之前的值。

例如:下图中的两个请求, 请求一发送了所有的头部字段,第二个请求则只需要发送差异数据,这样可以减少冗余数据,降低开销。

我们来看一个实际的例子,下面是用WireShark抓取的访问google首页的包:

上图是是访问google.com/抓到的第一个请求的头部,可以看到头部的内容,总共占用了437 bytes,我们选中头部的cookie,可以看到cookie总共占用了118 bytes。接下来我们看看第二个请求的头部:

从上图可以看到,得益于头部压缩,第二个请求中cookie只占用了1个字节,我们来看看变化了的Accept字段:

由于Accept字段与请求一中的内容不同,需要发送给服务器,所以占用了29 bytes。

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结语

HTTP/2的通过支持请求与响应的多路复用来减少延迟,通过压缩HTTP首部字段将协议开销降至最低,同时增加对请求优先级和服务器端推送的支持。

参考资料:
  1. Jerry Qu blog 中的HTTP/2专题;
  2. 维基百科:HTTP/2
  3. RFC 7540 – 超文本传输协议第2版(HTTP / 2)
  4. FC 7541 – HPACK:HTTP / 2的头压缩
  5. http2讲解

编辑于 2018-07-19