http2.0的时代来了

转载 2017年12月26日 00:00:00
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开篇HTTP发展的心路历程


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上图:连接无法复用

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上图:设置Connection:Keep-Alive,保持连接在一段时间内不断开。

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上图:HTTPpipelining:建立多个连接

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上图:多路复用

先对HTTP协议进行简单介绍

    1. HTTP协议 :Hyper Text Transfer Protocol(超文本传输协议),是用于从万维网(WWW:World Wide Web )服务器传输超文本到本地浏览器的传送协议。是互联网上应用最为广泛的一种网络协议。所有的WWW文件都必须遵守这个标准。


    2. HTTP是一个基于TCP/IP通信协议来传递数据(HTML 文件, 图片文件, 查询结果等)。


    3. HTTP是一个属于应用层的面向对象的协议,由于其简捷、快速的方式,适用于分布式超媒体信息系统。它于1990年提出,经过几年的使用与发展,得到不断地完善和扩展。


    4. HTTP协议工作于客户端-服务端架构为上。浏览器作为HTTP客户端通过URL向HTTP服务端即WEB服务器发送所有请求。Web服务器根据接收到的请求后,向客户端发送响应信息。


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HTTP 协议的版本
  1. HTTP 0.9作为HTTP协议的第一个版本。是非常弱的。请求(Request)只有一行,比如: GET www.leautolink.com


    2. HTTP1.0最早在网页中使用是在1996年,那个时候只是使用一些较为简单的网页上和网络请求上。


    3. HTTP1.1则在1999年才开始广泛应用于现在的各大浏览器网络请求中,同时HTTP1.1也是当前使用最为广泛的HTTP协议。


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HTTP 1.1 做了哪些升级:


  • 缓存处理,在HTTP1.0中主要使用header里的If-Modified-Since,Expires来做为缓存判断的标准,HTTP1.1则引入了更多的缓存控制策略例如Entity tag,If-Unmodified-Since, If-Match, If-None-Match等更多可供选择的缓存头来控制缓存策略。


  • 带宽优化及网络连接的使用,HTTP1.0中,存在一些浪费带宽的现象,例如客户端只是需要某个对象的一部分,而服务器却将整个对象送过来了,并且不支持断点续传功能,HTTP1.1则在请求头引入了range头域,它允许只请求资源的某个部分,即返回码是206(Partial Content),这样就方便了开发者自由的选择以便于充分利用带宽和连接。


  • 错误通知的管理,在HTTP1.1中新增了24个错误状态响应码,如409(Conflict)表示请求的资源与资源的当前状态发生冲突;410(Gone)表示服务器上的某个资源被永久性的删除。


  • Host头处理,在HTTP1.0中认为每台服务器都绑定一个唯一的IP地址,因此,请求消息中的URL并没有传递主机名(hostname)。但随着虚拟主机技术的发展,在一台物理服务器上可以存在多个虚拟主机(Multi-homed Web Servers),并且它们共享一个IP地址。HTTP1.1的请求消息和响应消息都应支持Host头域,且请求消息中如果没有Host头域会报告一个错误(400 Bad Request)。


  • 长连接,HTTP 1.1支持长连接(PersistentConnection)和请求的流水线(Pipelining)处理,在一个TCP连接上可以传送多个HTTP请求和响应,减少了建立和关闭连接的消耗和延迟,在HTTP1.1中默认开启Connection: keep-alive,一定程度上弥补了HTTP1.0每次请求都要创建连接的缺点。


如何建立连接(三次握手)

    HTTP 是基于 TCP 协议的,浏览器最快也要在第三次握手时才能捎带 HTTP 请求报文,达到真正的建立连接,但是这些连接无法复用会导致每次请求都经历三次握手和慢启动。三次握手在高延迟的场景下影响较明显,慢启动则对文件类大请求影响较大。


  • 第一次握手:建立连接时,客户端发送syn包(syn=j)到服务器,并进入SYN_SENT状态,等待服务器确认;SYN:同步序列编号(Synchronize Sequence Numbers)。

  • 第二次握手:服务器收到syn包,必须确认客户的SYN(ack=j+1),同时自己也发送一个SYN包(syn=k),即SYN+ACK包,此时服务器进入SYN_RECV状态;

  • 第三次握手:客户端收到服务器的SYN+ACK包,向服务器发送确认包ACK(ack=k+1),此包发送完毕,客户端和服务器进入ESTABLISHED(TCP连接成功)状态,完成三次握手。


完成三次握手,客户端与服务器开始传送数据。


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如何关闭连接(四次挥手):


    由于TCP连接是全双工的,因此每个方向都必须单独进行关闭。这个原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动,一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭,而另一方执行被动关闭。


     TCP的连接的拆除需要发送四个包,因此称为四次挥手(four-way handshake)。客户端或服务器均可主动发起挥手动作,在socket编程中,任何一方执行close()操作即可产生挥手操作。


  1. 客户端A发送一个FIN,用来关闭客户A到服务器B的数据传送。 

  2. 服务器B收到这个FIN,它发回一个ACK,确认序号为收到的序号加1。和SYN一样,一个FIN将占用一个序号。 

  3. 服务器B关闭与客户端A的连接,发送一个FIN给客户端A。 

  4. 客户端A发回ACK报文确认,并将确认序号设置为收到序号加1。 


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浏览器阻塞(HOL blocking):

    浏览器对于同一个域名,一般PC端浏览器会针对单个域名的server同时建立6~8个连接,手机端的连接数则一般控制在4~6个(这个根据浏览器内核不同可能会有所差异),超过浏览器最大连接数限制,后续请求就会被阻塞。


在讲HTTP/2之前我们先来说说SPDY

    SPDY协议是Google提出的基于传输控制协议(TCP)的应用层协议,通过压缩多路复用优先级来缩短加载时间。该协议是一种更加快速的内容传输协议,于2009 年年中发布。


    GoogleChrome、MozillaFirefox以及Opera已默认开启SPDY。Google曾经称它的测试显示,页面载入提高了一倍。该协议是一种更加快速的内容传输协议。


SPDY协议设定的目标

    1. 页面加载时间(PLT,Page • Load Time)降低 50%;

    2. 无需网站作者修改任何内容;

    3. 最小化配置复杂度,无需变更网络基础设施;


注:为了达到降低50% 页面加载时间的目标,SPDY 引入了一个新的二进制分帧数据层,以实现多向请求和响应、优先次序、最小化及消除不必要的网络延迟,目的是更有效地利用底层TCP 连接;



HTTP/2:SPDY的升级版
  • HTTP-WG(HTTP Working Group)在2012 年初把HTTP 2.0提到了议事日程,吸取SPDY 的经验教训,并在此基础上制定官方标准。


  • HTTP/2 的主要目标是改进传输性能,更有效地利用网络资源,实现低延迟和高吞吐量。从另一方面看,HTTP 的高层协议语义并不会因为这次版本升级而受影响。所有HTTP 首部、值,以及它们的使用场景都不会变。


  • HTTP/2 致力于突破上一代标准众所周知的性能限制,但它也是对之前1.x 标准的扩展,而非替代。之所以要递增一个大版本到2.0,主要是因为它改变了客户端与服务器之间交换数据的方式


HTTP/2 是如何提高效率呢?


二进制分帧:HTTP 2.0 的所有帧都采用二进制编码

  • :客户端与服务器通过交换帧来通信,帧是基于这个新协议通信的最小单位。

  • 消息:是指逻辑上的 HTTP 消息,比如请求、响应等,由一或多个帧组成。

  • :流是连接中的一个虚拟信道,可以承载双向的消息;每个流都有一个唯一的整数标识符(1、2…N);


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多路复用 (Multiplexing)

    多路复用允许同时通过单一的 HTTP/2 连接发起多重的请求-响应消息。有了新的分帧机制后,HTTP/2 不再依赖多个TCP 连接去实现多流并行了。每个数据流都拆分成很多互不依赖的帧,而这些帧可以交错(乱序发送),还可以分优先级。最后再在另一端把它们重新组合起来。HTTP 2.0 连接都是持久化的,而且客户端与服务器之间也只需要一个连接(每个域名一个连接)即可。 


请求优先级

  • 把HTTP 消息分解为很多独立的帧之后,就可以通过优化这些帧的交错和传输顺序,每个流都可以带有一个31 比特的优先值:0 表示最高优先级;2的31次方-1 表示最低优先级。

  • 服务器可以根据流的优先级,控制资源分配(CPU、内存、带宽),而在响应数据准备好之后,优先将最高优先级的帧发送给客户端。

  • HTTP 2.0 一举解决了所有这些低效的问题:浏览器可以在发现资源时立即分派请求,指定每个流的优先级,让服务器决定最优的响应次序。这样请求就不必排队了,既节省了时间,也最大限度地利用了每个连接。


header压缩

    HTTP1.x的header带有大量信息,而且每次都要重复发送,HTTP/2使用encoder来减少需要传输的header大小,通讯双方各自cache一份header fields表,既避免了重复header的传输,又减小了需要传输的大小。


服务端推送

  • 服务器可以对一个客户端请求发送多个响应。服务器向客户端推送资源无需客户端明确地请求。

  • HTTP 2.0 连接后,客户端与服务器交换SETTINGS 帧,借此可以限定双向并发的流的最大数量。

  • 所有推送的资源都遵守同源策略。换句话说,服务器不能随便将第三方资源推送给客户端,而必须是经过双方确认才行。

  • 服务器必须遵循请求- 响应的循环,只能借着对请求的响应推送资源


服务器推送到底是什么?

    服务端推送能把客户端所需要的资源伴随着index.html一起发送到客户端,省去了客户端重复请求的步骤。正因为没有发起请求,建立连接等操作,所以静态资源通过服务端推送的方式可以极大地提升速度。


普通的客户端请求过程:

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服务端推送的过程:

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HTTP/2的多路复用和HTTP1.1中的长连接复用有什么区别?

  • HTTP/1.0 一次请求-响应,建立一个连接,用完关闭;每一个请求都要建立一个连接;


  • HTTP/1.1 Pipeling解决方式为,若干个请求排队串行化单线程处理,后面的请求等待前面请求的返回才能获得执行机会,一旦有某请求超时等,后续请求只能被阻塞,毫无办法,也就是人们常说的线头阻塞;


  • HTTP/2多个请求可同时在一个连接上并行执行。某个请求任务耗时严重,不会影响到其它连接的正常执行;


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如何应用到自己的项目里

    现有的任何网站和应用,无需做任何修改都可以在HTTP 2.0 上跑起来。不用为了利用HTTP 2.0 的好处而修改标记。HTTP 服务器必须运行HTTP 2.0 协议,但大部分用户都不会因此而受到影响。


    如果你使用NGINX,只要在配置文件中启动相应的协议就可以了,可以参考NGINX白皮书,NGINX配置HTTP2.0官方指南。


    使用了HTTP2.0那么,原本的HTTP1.x怎么办,这个问题其实不用担心,HTTP2.0完全兼容HTTP1.x的语义,对于不支持HTTP2.0的浏览器,NGINX会自动向下兼容的。

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