网络协议后浪之http/2、http/3

火车头
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内容概览

  • http/1.1相对于http/1.0做的优化（持久化连接、管线化、域名分片）
  • 现有http/1.1存在的问题（队头阻塞、线头阻塞）
  • http/2特性
  • http/2中的问题
  • http/3
  • http/3的挑战

扩展问题

  • HTTP2中的帧和流
  • http2 怎么确保文件同时传输不会报错?

一、http/1.1相对于http/1.0做的优化

HTTP/1.0每进行一次HTTP通信，都需要经历建立TCP连接、传输HTTP数据和断开TCP连接三个阶段(如下图)。

image.png

1、持久化连接

为了解决这个问题，HTTP/1.1中增加了持久连接的方法，它的特点是在一个TCP连接上可以传输多个HTTP 请求，只要浏览器或者服务器没有明确断开连接，那么该TCP连接会一直保持。

持久连接在HTTP/1.1中是默认开启的，所以你不需要专门为了持久连接去HTTP请求头设置信息，如果你不想要采用持久连接，可以在HTTP请求头中加上**Connection: close（默认为Connection:keep-alive）****。**目前浏览器中对于同一个域名，默认允许同时建立6个TCP持久连接。

2、管线化

持久化连接虽然能减少TCP的建立和断开次数，但是它需要等待前面的请求返回之后，才能进行下一次请求。如果TCP通道中的某个请求因为某些原因没有及时返回，那么就会阻塞后面的所有请求，这就是著名的队头阻塞的问题。

HTTP/1.1中试图通过管线化的技术来解决队头阻塞的问题。HTTP/1.1中的管线化是指将多个HTTP请求整批提交给服务器的技术，虽然可以整批发送请求，不过服务器依然需要根据请求顺序来回复浏览器的请求。FireFox、Chrome都做过管线化的试验，但是由于各种原因，它们最终都放弃了管线化技术。

但是管线化存在诸多问题

  • 第一个响应慢还是会阻塞后续响应
  • 服务器为了按序返回相应需要缓存多个响应占用更多资源
  • 浏览器中途断连重试服务器可能得重新处理多个请求
  • 必须客户端 - 代理 - 服务器都支持管线化

3、提供虚拟主机的支持

在HTTP/1.0中，每个域名绑定了一个唯一的IP地址，因此一个服务器只能支持一个域名。但是随着虚拟主机技术的发展，需要实现在一台物理主机上绑定多个虚拟主机，每个虚拟主机都有自己的单独的域名，这些单独的域名都公用同一个IP地址。

因此，HTTP/1.1的请求头中增加了Host字段，用来表示当前的域名地址，这样服务器就可以根据不同的Host值做不同的处理。

总结

我们知道HTTP/1.1为网络效率做了大量的优化，最核心的有如下三种方式:

1.  增加了持久连接;
2.  浏览器为每个域名最多同时维护6个TCP持久连接; 
3.  使用CDN的实现域名分片机制。

二、现有http/1.1存在的问题

1、线头阻塞

TCP连接上只能发送一个请求，前面的请求未完成前，后续的请求都在排队等待。

2、多个TCP连接

虽然HTTP/1.1管线化可以支持请求并发，但是浏览器很难实现，chrome、firefox等都禁用了管线化。所以1.1版本请求并发依赖于多个TCP连接，建立TCP连接成本很高，还会存在慢启动的问题。

3、头部冗余，采用文本格式

HTTP/1.X版本是采用文本格式，首部未压缩，而且每一个请求都会带上cookie、user-agent等完全相同的首部。

4、只能客户端主动请求

5、队头阻塞

6、明文传输

7、建立TCP连接成本比较大

三、http/2特性

1、二进制分帧层

HTTP2性能提升的核心就在于二进制分帧层。HTTP2是二进制协议，他采用二进制格式传输数据而不是1.x的文本格式。

image.png

2、多路复用

上面提到HTTP/1.1的线头阻塞和多个TCP连接的问题，HTTP2的多路复用完美解决。HTTP2让所有的通信都在一个TCP连接上完成，真正实现了请求的并发

image.png

3、头部压缩 + 维护头部字典（HPACK 算法）

头部压缩也是HTTP2的一大亮点。在1.X版本中，首部用文本格式传输，通常会给每个传输增加500-800字节的开销。现在打开一个网页上百个请求已是常态，而每个请求带的一些首部字段都是相同的，例如cookie、user-agent等。HTTP2为此采用HPACK压缩格式来压缩首部。头部压缩需要在浏览器和服务器端之间：

  • 维护一份相同的静态字典，包含常见的头部名称，以及常见的头部名称和值的组合
  • 维护一份相同的动态字典，可以动态的添加内容
  • 通过静态Huffman编码对传输的首部字段进行编码

image.png

所以我们在传输首部字段的时候，例如要传输method:GET,那我们只需要传输静态字典里面method:GET对应的索引值就可以了，一个字节搞定。像user-agent、cookie这种静态字典里面只有首部名称而没有值的首部，第一次传输需要user-agent在静态字典中的索引以及他的值，值会采用静态Huffman编码来减小体积。

第一次传输过user-agent 之后呢，浏览器和服务器端就会把它添加到自己的动态字典中。后续传输就可以传输索引了，一个字节搞定。

4、服务器端推送

服务器端推送使得服务器可以预测客户端需要的资源，主动推送到客户端。

例如：客户端请求index.html，服务器端能够额外推送script.js和style.css。 实现原理就是客户端发出页面请求时，服务器端能够分析这个页面所依赖的其他资源，主动推送到客户端的缓存，当客户端收到原始网页的请求时，它需要的资源已经位于缓存。

针对每一个希望发送的资源，服务器会发送一个PUSH_PROMISE帧，客户端可以通过发送RST_STREAM帧来拒绝推送（当资源已经位于缓存）。这一步的操作先于父响应（index.html），客户端了解到服务器端打算推送哪些资源，就不会再为这些资源创建重复请求。当客户端收到index.html的响应时，script.js和style.css已经位于缓存。

四、http/2中的问题

虽然 HTTP/2 解决了很多之前旧版本的问题，但是它还是存在一个巨大的问题，主要是底层支撑的 TCP 协议造成的。HTTP/2的缺点主要有以下几点：

  1. TCP 以及 TCP+TLS 建立连接的延时
  2. TCP 的队头阻塞并没有彻底解决
  3. 多路复用导致服务器压力上升
  4. 多路复用容易 Timeout
  5. 出现了丢包时，HTTP/2 的表现反倒不如 HTTP/1 了。因为TCP为了保证可靠传输，有个特别的“丢包重传”机制，丢失的包必须要等待重新传输确认，HTTP/2出现丢包时，整个 TCP 都要开始等待重传，那么就会阻塞该TCP连接中的所有请求（如下图）。而对于 HTTP/1.1 来说，可以开启多个 TCP 连接，出现这种情况反到只会影响其中一个连接，剩余的 TCP 连接还可以正常传输数据。

五、http/3

image.png

QUIC的新功能

  • 实现了类似TCP的流量控制、传输可靠性的功能
  • 实现了快速握手功能
  • 集成了TLS加密功能
  • 多路复用，彻底解决TCP中队头阻塞的问题

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六、http/3的挑战

通过上面的分析，我们相信在技术层面，HTTP/3是个完美的协议。不过要将HTTP/3应用到实际环境中依然 面临着诸多严峻的挑战，这些挑战主要来自于以下三个方面

  • 浏览器没有提供完整的支持
  • 操作系统、中间设备：对udp的支持远没有tcp完善
  • 丢包率较高3%-7%

扩展问题

  • 帧和流
  • http2 怎么确保文件同时传输不会报错?

1、HTTP2中的帧和流

在 HTTP2.0 中，有两个非常重要的概念：帧和流

帧(frame)
+-----------------------------------------------+
 |                 Length (24)                   |
 +---------------+---------------+---------------+
 |   Type (8)    |   Flags (8)   |
 +-+-------------+---------------+-------------------------------+
 |R|                 Stream Identifier (31)                      |
 +=+=============================================================+
 |                   Frame Payload (0...)                      ...
 +---------------------------------------------------------------+

HTTP2.0 中数据传输的最小单位，因此帧不仅要细分表达 HTTP1.x 中的各个部分，也优化了 HTTP1.x 表达不好的地方，同时还增加了 HTTP1.x 表达不了的方式。每一帧都包含几个字段：length、type、flags、stream identifier、frame playload等等，其中 type 代表帧的类型，在 HTTP2 的标准中定义了 10 中类型。

HEADERS frame
DATA frame
PRIORITY (设置流的优先级)
RST_STREAM (终止流)
SETTINGs (设置此连接的参数)
PUSH_PROMISE (服务器推送)
PING (测量RTT)
GOAWAY (终止连接)
WINDOW_UPDATE (流量控制)
CONTINUATION (继续传输头部数据)

在 HTTP2.0 中，它把数据报的两大部分分成了 header frame 和 data frame，也就是头部帧和数据体帧。

流(stream)

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。HTTP2 长连接中的数据是不按请求响应顺序发送的，一个完整的请求或响应可能会分成非连续多次发送，有以下几个特点:

  • 双向性：同一个流内，可以同时发送和接收数据
  • 有序性：流中被传输的数据就是二进制帧。帧在流上的被发送与被接收都是按照顺序进行的
  • 并行性：流中的二进制帧都是被并行传输的，无需按照顺序等待
  • 流的创建：流可以被客户端或服务器单方面建立、使用或共享
  • 流的关闭：流也可以被任意一方关闭
  • HEADERS 帧在 DATA 帧前面
  • 流的 ID 都是奇数，说明是由客户端发起的，这是标准规定的，那么服务端发起的就是偶数啦

2、http2 怎么确保文件同时传输不会报错?

stream Identifier

多路复用就是在一个 tcp 连接中可以存在多个 stream，也就是多个请求，每个stream又包含了多个frame，通过stream Identifier就可以识别出每个frame分别对应的stream，当frame到达服务端之后，就可以根据stream Identifier 来重新组合得到完整的请求了，这就在提高传输性能的同时保证了传输的正确性。

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