HTTP2总结及简单实践总结-实践总结

HTTP发展历史

在总结http2之前先来回顾下http的发展历史。以下三张图片来自 Jerry Qu

HTTP/0.9 (1991)

HTTP/1.0 (1996)

HTTP/1.1 (1999)

HTTP通信过程

众所周知，http是基于tcp之上的应用层协议，即在tcp连接建立之后，在tcp的链路上传送数据。

首先进行TCP连接，三次握手， C --(SYN{k})--> S ， S --(ACK{k+1}&SYN{j})--> C ， C --ACK{j+1}--> S
客户端发送ACK后，就会发送一个HTTP请求
服务端接受到ACK，确认TCP连接建立，再接着收到HTTP请求，进行解析并将结果返回客户端。
客户端收到HTTP请求结果。

在 HTTP/0.9 和 HTTP/1.0 中，第3步之后，服务端就会关闭连接，也就是TCP的四次挥手，但是在 HTTP/1.1 后，客户端在发送HTTP请求时头部可以带上 Connection：Keep-Alive ，就是告诉服务器保持连接，不要关闭TCP。当 Connection:Close 时，服务器会关闭连接。

HTTP2 的通信过程无外乎这是这个流程，但是通过TCP传输的数据会有不同，客户端和服务器的行为也有了新的规则。引入了Connection、Stream、Message、Frame这四个概念，从下图大概可以看出他们之间的关系。

Connection：其实就是一个TCP连接
Stream：已建立的连接上的双向字节流
Message：请求或者响应，由一个或多个帧组合而成
Frame： Message中的二进制帧，HTTP/2通信的最小单位，后面会详细解释

HTTP/2 新特性

二进制分帧(Binary framing layer)
多路复用 (Multiplexing)
单一连接(One connection per origin)
数据流优先级(Stream prioritization)
首部压缩(Header Compression)
流控 (Flow control)
服务端推送(Server Push)

这些新特性的产生，主要是为了解决之前的问题，我们来对比下之前的 HTTP/1.1 ，看看解决了哪些问题

二进制分帧(Binary framing layer)

二进制分帧就是把http的数据按照规定的格式进行封装，类似IP和TCP的数据包, 简单画了个承载HTTP2数据的以太帧结构，方便理解。

通过wireshark抓包可以看到http2的结构

Length: 无符号的自然数，24个比特表示，仅表示帧负载所占用字节数，不包括帧头所占用的9个字节。默认大小区间为为0~16,384(2^14)，一旦超过默认最大值2^14(16384)，发送方将不再允许发送，除非接收到接收方定义的SETTINGS_MAX_FRAME_SIZE(一般此值区间为2^14 ~ 2^24)值的通知。
Type: 8个比特表示，定义了帧负载的具体格式和帧的语义，HTTP/2规范定义了10个帧类型，这里不包括实验类型帧和扩展类型帧
Flags: 8个比特表示，服务于具体帧类型，默认值为0x0。有一个小技巧需要注意，一般来讲，8个比特可以容纳8个不同的标志，比如，PADDED值为0x8，二进制表示为00001000;END_HEADERS值为0x4，二进制表示为00000100;END_STREAM值为0X1，二进制为00000001。可以同时在一个字节中传达三种标志位，二进制表示为00001101，即0x13。因此，后面的帧结构中，标志位一般会使用8个比特表示，若某位不确定，使用问号?替代，表示此处可能会被设置标志位
R: 在HTTP/2语境下为保留的比特位，固定值为0X0
Stream Identifier: 无符号的31比特表示无符号自然数。0x0值表示为帧仅作用于连接，不隶属于单独的流。

HTTP2帧中的类型如下：

想了解每一个类型的详细数据结构可以参考我的另一篇文章http2帧类型详解

通过Google Developers中的一个图，我们可以更好的理解，HTTP2的分帧在网络数据中所处的位置，以及和HTTP/1.1的不同之处。

HTTP/1.1中的头部变成HEADERS类型的帧，请求体/回应体变成DATA类型的帧，通过二进制分帧，将传输的数据使用二进制方式，对比文本方式减少数据量;通过不同类型的帧实现流控、服务器推送等功能。

多路复用 (Multiplexing) & 单一连接(One connection per origin)

我们知道在HTTP2之前，我们如果想加快网页资源的加载速度，会采用同时建立多条连接的方式，但是这样每次建立TCP连接效率比较低，并且浏览器往往会限制最大连接数(例如chrome的最大连接数为6)。另外在HTTP/1.1中引入了Pipeline，可以在一个TCP连接中连续发送多个请求，不用关心前面的响应是否到达，但是服务器必须要按照收到请求的顺序来进行响应，这样一旦前面的请求阻塞，后来的请求也将不能及时回应。

HTTP2中，因为新的二进制帧的使用，使得可以轻松复用单个TCP连接。客户端和服务器可以将 HTTP 消息分解为互不依赖的帧，然后交错发送，最后再在另一端把它们重新组装起来。

还是 Google Developers的图：

可以看到我们可以并行交错的发送多个响应和请求，并且使用同一个TCP连接，没有先后顺序，每个帧中携带有如何组装的信息，客户端会等某项工作所需要的所有的资源都就绪之后再执行。

数据流优先级(Stream prioritization)

由于可以进行单连接复用，服务器和客户端的帧都是交错发送，对于发送给服务器的帧，为了解决哪些该先处理，哪些该后处理，因此引入了数据流的优先级，服务器根据优先级来分配资源。例如优先级高的获得更多的CPU和带宽资源。那么优先级是如何标示的呢?还记得前面的帧类型中有一个Type为PRIORITY，这种类型的帧就是为了告诉服务器这个stream的优先级，此外HEADERS帧中也包含了优先级信息。

HTTP/2通过父依赖和权重来标示优先级，每一个stream会标示一个父stream id，没有标示的默认为虚拟的root stream，这样按照这种依赖关系构建一个依赖树，树上层的stream权重较高，同一层的stream会有一个weight来区分资源分配比。。

上图是依赖树的一些示例，从左到右，共四棵树。

第一个两个stream A 和 B，没有标明父stream，默认依赖虚拟的root节点，A、B处于同一层，优先级相同，根据权重分配资源，A分到 12/(12+4)=3/4 资源，B分到 1/4 资源。
第二个D和C有层级结构，C的父级是D，那么服务器拿完整资源优先处理D，然后再处理C。
第三个，服务器先处理D，再处理C，然后处理A和B，A分到 3/4 资源，B分到 1/4 资源。
第四个，先处理D，再讲资源对半分处理E和C，之后再按照权重处理A和B

需要注意的一点是，流优先级并不是强制约束，当优先级高的流阻塞时，并不能不让服务器处理优先级低的流

首部压缩 (Header Compression)

由于当前网站内容越来越复杂，单个页面的请求数基本都是几十个甚至上百，每个请求都要带上客户端或者用户的标识，例如：UA，cookie等头部数据，请求数量多了以后，传输http头部消耗的流量也非常可观，并且头部数据中大部分都是相同的，这就是赤裸裸的浪费呀。于是产生了头部压缩技术来节省流量。

维护一份相同的静态字典(Static Table)，包含常见的头部名称，以及特别常见的头部名称与值的组合
维护一份相同的动态字典(Dynamic Table)，可以动态地添加内容
支持基于静态哈夫曼码表的哈夫曼编码(Huffman Coding)

静态字典

静态字典就是把常用的头部映射为字节较短的索引序号，如下图所示，截取了前面几个映射，全部定义可以看 Static Table Definition

例如当头部有个字段是 :method: GET ，那么查表可知，可以用序号2标识，于是这个字段的数据就是 0000010 (2的二进制表示)

动态字典

静态字典能表示的头部数据毕竟有限，压缩率也不会高。但是对于一个站点来讲，和某个用户交互时会发生非常多的请求，但是每次请求头部差别不大，会有很多重复数据，因为用户和浏览器的标识是不变的。那么我们可以针对一次HTTP2的连接生成一个可添加映射的动态字典，这样再后面的连接中就可以使用动态字典中的序号。动态字典的生成过程其实就是通知对方添加映射，客户端可以通知服务端添加，反之亦可。

具体的通知方式就是按照协议规定的格式传输数据。

Huffman Coding

哈弗曼编码的特性是出现频率越高，编码长度越短。HTTP2协议中根据大量的请求头部数据样本生成了一种canonical Huffman code，具体在 Huffman Code 列出。

流控 (Flow control)

HTTP/2 流量控制的目标，在流量窗口初始值的约束下，给予接收端以全权，控制当下想要接受的流量大小。

算法：

两端(收发)保有一个流量控制窗口(window)初始值。
发送端每发送一个DATA帧，就把window递减，递减量为这个帧的大小，要是window小于帧大小，那么这个帧就必须被拆分。如果window等于0，就不能发送任何帧
接收端可以发送 WINDOW_UPDATE帧给发送端，发送端以帧内指定的Window Size Increment作为增量，加到window上

服务端推送 (Server Push)

流程:

客户端在交换 SETTINGS 帧时，设置字段 SETTINGS_ENABLE_PUSH(0x2) 为1显式允许服务器推送
服务器在接受到请求时，分析出要推送的资源，先发个 PUSH_PROMISE 帧给浏览器
然后再发送各个response header和response body
浏览器收到 PUSH_PROMISE 帧时，根据header block fragment字段里的url，可以知道当前有没有缓存，从而判断是否要接收。如果不要，浏览器就要发送个 RST_STREAM 来终止服务器推送

问题：

流量浪费。若浏览器有缓存，不要这个推送，就会出现浪费流量的现象，因为整个过程都是异步的，在服务器接收到RST_STREAM时，响应很有可能部份发出或者全部发出了。

HTTP/2简单实践

Okhttp是一个java生态中有名的的http client，由于其简单易用，性能较好，支持http2。下面用这个工具来实践下，因为本人博客已经在nginx上配置了http2，就拿本博客来实验下。

public class Http2Example { 
    final static OkHttpClient client = new OkHttpClient.Builder().build(); 
    public static void main(String[] args) { 
        Request request = new Request.Builder() 
                .url("https://blog.fliaping.com") 
                .build(); 
        try { 
            Response response = client.newCall(request).execute(); 
            System.out.println(JSON.toJSONString(response.protocol())); 
            System.out.println(response.headers().toString()); 
            System.out.println(response.body().string()); 
        } catch (IOException e) { 
            e.printStackTrace(); 
        } 
    } 
}

用过Okhttp的同学就会发现，这跟平时用的方法一样啊，没有任何区别，是的没错，就是没有任何区别。别的不多说，执行下看看，不幸的是你会发现protocol还是http1.1，并不是h2，这是怎么回事?这是因为HTTP2新加入了ALPN(Application Layer Protocol Negotiation),从字面意思理解就是应用层协议协商，即双方商量下用哪个协议。不幸的是jdk8是在2014年发布的，当时HTTP2协议还没出生，幸运的是通过第三方jar包就可以支持ALPN。另外jdk9已经支持了HTTP2，虽然还没正式发布，但是我们可以试用下JDK 9 Early-Access Builds。

jdk7和jdk8通过添加jvm参数加入第三方alpn支持包，注意版本不能搞错，jdk7使用 alpn-boot-7.*.jar ，jdk8使用 alpn-boot-8.*.jar ，这里有版本对应关系 alpn-versions

# jdk8 
-Xbootclasspath/p:/home/payne/Downloads/alpn-boot-8.1.11.v20170118.jar 
# jdk7 
-Xbootclasspath/p:/home/payne/Downloads/alpn-boot-7.1.3.v20150130.jar 
# jdk9 
# 使用jdk9平台时，注意okhttp版本大于3.3.0  
# https://mvnrepository.com/artifact/org.mortbay.jetty.alpn/alpn-boot