深入理解HTTP/2：nghttp2库源码解析及客户端实现示例

在互联网时代，网络传输协议的作用至关重要。在本文中，我们将对 HTTP/2 的一些核心特性进行深入的剖析，并通过实例代码，展示如何使用 nghttp2 库来实现 HTTP/2 的高效特性。

一、HTTP/2 特性实现：nghttp2 源码剖析

在我们开始探索如何使用 nghttp2 库创建一个 HTTP/2 客户端之前，首先让我们结合 nghttp2 库的源码，了解 HTTP/2 的主要特性是如何实现的。

1.1 二进制帧

作为 HTTP/2 的基础，二进制帧的处理方式对于整个协议的性能和可靠性有着至关重要的影响。HTTP/2 使用二进制帧来传输数据，这使得数据传输更加高效和可靠。

在 nghttp2 中，二进制帧的实现可以在 nghttp2_frame.c 文件中找到。每个帧由一个固定长度的帧头（9 字节）和一个可选的帧负载组成。帧头包括以下字段：长度（24位）、类型（8位）、标志（8位）、保留位（1位）和流标识符（31位）。

nghttp2 提供了一系列 API 来处理二进制帧，如 nghttp2_frame_pack() 用于将帧结构体编码为二进制数据，nghttp2_frame_unpack() 用于将二进制数据解码为帧结构体。

1.2 多路复用

接下来，我们来看看 nghttp2 是如何实现 HTTP/2 的另一个重要特性：多路复用。通过多路复用，HTTP/2 可以在一个连接上并行处理多个请求和响应，这大大提高了网络利用率。

在 nghttp2 中，多路复用的实现可以在 nghttp2_stream.c 文件中找到。nghttp2 使用优先级队列来管理多个流，以实现多路复用。

当新的帧到达时，nghttp2 会根据帧头中的流标识符找到对应的流。然后，根据帧类型和优先级，对流进行处理。例如，数据帧会被传递给应用程序进行处理，而控制帧（如 WINDOW_UPDATE）会被用来更新流的状态。

1.3 头部压缩

头部压缩是 HTTP/2 的另一个重要特性，它可以有效地减少网络传输的开销。HTTP/2 使用 HPACK 算法压缩头部，减少了网络传输的开销。

在 nghttp2 中，头部压缩的实现可以在 nghttp2_hd.c 文件中找到。nghttp2 提供了一系列 API 来处理头部压缩，如 nghttp2_hd_deflate() 用于压缩头部，nghttp2_hd_inflate() 用于解压缩头部。

HPACK 算法使用了两种技术来压缩头部：静态表和动态表。静态表包含了常见的头部字段，动态表则在连接过程中逐渐学习头部字段。通过这两个表，HPACK 可以有效地压缩头部数据。

1.4 服务器推送

最后，我们来看看 nghttp2 是如何实现 HTTP/2 的服务器推送特性的。HTTP/2 允许服务器主动向客户端推送资源，提高了页面加载速度。

在 nghttp2 中，服务器推送的实现可以在 nghttp2_push.c 文件中找到。服务器可以通过 nghttp2_submit_push_promise() 函数提交一个 PUSH_PROMISE 帧，告知客户端即将推送的资源。然后，服务器可以使用 nghttp2_submit_response() 函数发送推送资源的响应。

客户端可以通过设置回调函数来接收服务器推送的资源。例如，可以使用 nghttp2_session_callbacks_set_on_push_promise() 函数设置 PUSH_PROMISE 帧的回调，以及 nghttp2_session_callbacks_set_on_data_chunk_recv() 函数设置接收到推送数据的回调。

1.5 总结

通过以上的源码分析，我们可以看到，HTTP/2 的主要特性在 nghttp2 中得到了很好的实现。这些特性共同让 HTTP/2 成为了一个高效、可靠的网络传输协议。

二、使用 nghttp2 库创建一个 HTTP/2 客户端

理论知识了解了之后，接下来我们通过一个实例来看看如何使用 nghttp2 库创建一个 HTTP/2 客户端。

下面的 C 语言示例代码演示了如何使用 nghttp2 库创建一个 HTTP/2 客户端。这个客户端会向服务器发送一个 GET 请求，打印出响应，并加入错误处理、超时、取消请求、流量控制等特性。

下面将代码分为几个部分进行详细说明，并在每个部分中加入相应的功能。

2.1 初始化和连接设置

首先，我们需要设置SSL和socket连接，包括错误处理和超时设置。

// 初始化SSL上下文
SSL_CTX *create_ssl_ctx() {
    const SSL_METHOD *method = TLS_client_method();
    SSL_CTX *ctx = SSL_CTX_new(method);
    if (!ctx) {
        fprintf(stderr, "Unable to create SSL context\n");
        ERR_print_errors_fp(stderr);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    SSL_CTX_set_options(ctx, SSL_OP_NO_SSLv2 | SSL_OP_NO_SSLv3 | SSL_OP_NO_COMPRESSION);
    return ctx;
}

// 创建SSL连接
SSL *create_ssl(SSL_CTX *ctx, int fd) {
    SSL *ssl = SSL_new(ctx);
    if (!ssl) {
        fprintf(stderr, "Unable to create SSL object\n");
        ERR_print_errors_fp(stderr);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    SSL_set_fd(ssl, fd);
    if (SSL_connect(ssl) != 1) {
        ERR_print_errors_fp(stderr);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    return ssl;
}

// 设置socket超时
void set_socket_timeout(int fd) {
    struct timeval timeout;
    timeout.tv_sec = 5;  // 5秒超时
    timeout.tv_usec = 0;
    if (setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, (char *)&timeout, sizeof(timeout)) < 0 ||
        setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_SNDTIMEO, (char *)&timeout, sizeof(timeout)) < 0) {
        perror("Failed to set socket timeout");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
}

2.2 HTTP/2 会话和流量控制

在这一部分，我们设置HTTP/2会话，并实现基本的流量控制。

// 初始化nghttp2会话
void initialize_nghttp2_session(nghttp2_session **session, SSL *ssl) {
    nghttp2_session_callbacks *callbacks;
    nghttp2_session_callbacks_new(&callbacks);
    nghttp2_session_callbacks_set_send_callback(callbacks, send_callback);
    nghttp2_session_callbacks_set_recv_callback(callbacks, recv_callback);

    if (nghttp2_session_client_new(session, callbacks, ssl) != 0) {
        fprintf(stderr, "Error creating nghttp2 session\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    nghttp2_session_callbacks_del(callbacks);
}

// 流量控制
void control_flow(nghttp2_session *session) {
    int32_t window_size = 65535;  // 默认窗口大小
    nghttp2_submit_window_update(session, NGHTTP2_FLAG_NONE, 0, window_size);
}

2.3 发送和接收数据

在这一部分，我们处理数据的发送和接收，包括超时和错误处理。

// 发送和接收数据
void handle_data_transfer(nghttp2_session *session, SSL *ssl) {
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    ssize_t read_len;

    while (1) {
        read_len = SSL_read(ssl, buffer, sizeof(buffer));
        if (read_len > 0) {
            int rv = nghttp2_session_mem_recv(session, (const uint8_t *)buffer, read_len);
            if (rv < 0) {
                fprintf(stderr, "nghttp2_session_mem_recv error: %s\n", nghttp2_strerror(rv));
                break;
            }
        } else if (read_len == 0) {
            break;  // 连接关闭
        } else {
            if (SSL_get_error(ssl, read_len) == SSL_ERROR_WANT_READ) {
                continue;  // 需要更多数据
            }
            fprintf(stderr, "SSL read error\n");
            ERR_print_errors_fp(stderr);
            break;
        }

        if (nghttp2_session_send(session) < 0) {
            fprintf(stderr, "Failed to send data\n");
            break;
        }
    }
}

2.4 清理资源

最后，我们需要确保所有资源在程序结束时被正确释放。

// 清理资源
void cleanup(SSL *ssl,SSL_CTX *ctx, int fd, nghttp2_session *session) {
    nghttp2_session_del(session);  // 删除nghttp2会话
    SSL_shutdown(ssl);             // 关闭SSL连接
    SSL_free(ssl);                 // 释放SSL对象
    SSL_CTX_free(ctx);             // 释放SSL上下文
    close(fd);                     // 关闭socket文件描述符
}

2.5 取消请求和异常处理

在实际应用中，我们还需要考虑到请求的取消和异常处理机制，以便在用户取消操作或发生错误时能够及时响应并处理。

// 取消请求
void cancel_request(nghttp2_session *session, int32_t stream_id) {
    nghttp2_submit_rst_stream(session, NGHTTP2_FLAG_NONE, stream_id, NGHTTP2_CANCEL);
}

// 异常处理
void handle_error(int error_code, const char *error_message) {
    fprintf(stderr, "Error %d: %s\n", error_code, error_message);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

2.6 整合和使用

下面是一个简化的主函数，展示了如何使用这些函数。

int main(int argc, char *argv[]) {
    int fd;
    SSL_CTX *ctx;
    SSL *ssl;
    nghttp2_session *session;

    // 初始化网络连接和SSL
    ctx = create_ssl_ctx();
    fd = connect_to_server("example.com", "443");
    set_socket_timeout(fd);
    ssl = create_ssl(ctx, fd);

    // 初始化HTTP/2会话
    initialize_nghttp2_session(&session, ssl);

    // 发送HTTP/2请求
    send_http2_request(session, "example.com", "/api/data");

    // 处理数据传输
    handle_data_transfer(session, ssl);

    // 可能的取消请求
    // cancel_request(session, stream_id);

    // 清理资源
    cleanup(ssl, ctx, fd, session);

    return 0;
}

在这个主函数中，我们首先设置了SSL和网络连接，然后初始化了HTTP/2会话，并发送了一个HTTP/2请求。之后，我们进入数据传输处理阶段，最后在结束前清理所有资源。如果需要取消请求，可以在适当的时机调用cancel_request函数。

2.7 全流程时序图

为了更好地理解上述代码的流程，我们用时序图展示了主要的操作和交互，从初始化到数据传输，再到资源清理和可能的请求取消。

sequenceDiagram
    participant Client
    participant SSL_CTX
    participant SSL
    participant Socket
    participant nghttp2
    participant Server

    Client->>SSL_CTX: create_ssl_ctx()
    SSL_CTX-->>Client: Return SSL_CTX
    Client->>Socket: connect_to_server("example.com", "443")
    Socket-->>Client: Connected
    Client->>Socket: set_socket_timeout()
    Client->>SSL: create_ssl(SSL_CTX, fd)
    SSL-->>Client: SSL Handshake
    Client->>nghttp2: initialize_nghttp2_session()
    nghttp2-->>Client: Session Created
    Client->>nghttp2: send_http2_request("example.com", "/api/data")
    nghttp2-->>Server: Send HTTP/2 Request
    loop Data Exchange
        Server-->>SSL: SSL_read()
        SSL-->>nghttp2: nghttp2_session_mem_recv()
        nghttp2-->>SSL: nghttp2_session_send()
        SSL-->>Server: SSL_write()
    end
    alt Cancel Request
        Client->>nghttp2: cancel_request(stream_id)
        nghttp2-->>Server: Send RST_STREAM
    end
    Client->>nghttp2: cleanup(SSL, SSL_CTX, fd, session)
    Client->>SSL: SSL_shutdown()
    Client->>SSL: SSL_free()
    Client->>SSL_CTX: SSL_CTX_free()
    Client->>Socket: close(fd)

时序图解释：

1. SSL上下文和SSL对象创建：

   • create_ssl_ctx() 创建一个新的SSL上下文。
   • create_ssl() 使用给定的SSL上下文和socket文件描述符创建一个SSL对象，并完成SSL握手。

2. Socket连接和超时设置：

   • 客户端通过connect_to_server()连接到服务器。
   • 使用set_socket_timeout()设置socket的超时。

3. HTTP/2会话初始化和请求发送：

   • 使用initialize_nghttp2_session()初始化HTTP/2会话。
   • 使用send_http2_request()发送HTTP/2请求。

4. 数据交换循环：

   • 服务器发送数据，客户端通过SSL读取。
   • nghttp2_session_mem_recv()处理接收到的HTTP/2帧。
   • nghttp2_session_send()发送所有准备好的HTTP/2帧。
   • 数据通过SSL写回服务器。

5. 可选的请求取消：

   • 如果需要，客户端可以发送取消请求指令。

6. 资源清理：

   • 删除nghttp2会话。
   • 关闭SSL连接，释放SSL对象和SSL上下文。
   • 关闭socket连接。

三、结语

通过对 nghttp2 库的源码剖析，我们对 HTTP/2 的主要特性有了深入的理解。同时，我们也演示了如何使用 nghttp2 库创建一个 HTTP/2 客户端。希望通过本文的分析，能够帮助读者更好地理解 HTTP/2 协议，为客户端开发提供更高效、可靠的网络传输支持。