HTTP/2 浅析

HTTP(HyperText Transfer Protocol,缩写:HTTP)

觉得现在对缩写的英文全部知道含义才行,乱糟糟的缩写很混乱。言归正传。

用于分布式、协作式和超媒体信息系统的应用层协议。设计HTTP最初的目的是为了提供一种发布和接收HTML页面的方法。通过HTTP或者HTTPS协议请求的资源由统一资源标识符(Uniform Resource Identifiers,URI)来标识。

HTTP 协议是以 ASCII 码传输,基于请求与响应模式的、无状态的,建立在 TCP/IP 协议之上的应用层规范。它不涉及数据包(packet)传输,主要规定了客户端和服务器之间的通信格式,默认使用80端口

HTTP协议主要的版本有3个,分别是HTTP/1.0、HTTP/1.1和HTTP/2。HTTPS是另外一个协议,简单讲是HTTP的安全版。

现在最新的是HTTP/3,暂时未广泛使用

HTTP/1.0
  • 规定浏览器与服务器只保持短暂的连接

  • 连接无法复用。也就是说每个TCP连接只能发送一个请求。

TCP连接的建立需要三次握手,是很耗费时间的一个过程。所以,HTTP/1.0版本的性能比较差。现在,随便打开一个网页,上面都会有很多图片、视频等资源,HTTP/1.0显然无法满足性能要求。

HTTP/1.1
  • 引入了持久连接

所谓的持久连接就是: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。

SPDY

谷歌公开了自行研发的 SPDY 协议,主要解决 HTTP/1.1 效率不高的问题。它的设计目标是降低 50% 的页面加载时间。SPDY主要提供了以下功能

  • 多路复用(multiplexing)。多个请求共享一个tcp连接。
  • header压缩。删除或者压缩HTTP头
  • 服务端推送。提供服务方发起通信,并向客户端推送数据的机制。

SPDY位于HTTP之下,TCP和SSL之上,这样可以轻松兼容老版本的HTTP协议。(当前最新版本是 SPDY/3.1)

spdy.png

HTTP/2

HTTP/2相对于HTTP/1.1有哪些改进:

二进制分帧

在HTTP/2中,在应用层(HTTP2.0)和传输层(TCP或者UDP)之间加了一层:二进制分帧层。这是HTTP2中最大的改变。

frame-layer.png

``

多路复用允许同时通过单一的HTTP/2.0连接发起多重的请求-响应消息。在HTTP1.1协议中,浏览器客户端在同一时间,针对同一域名下的请求有一定数量的限制,超过了这个限制的请求就会被阻塞。而多路复用允许同时通过单一的 HTTP2.0 连接发起多重的“请求-响应”消息。

2020-12-22 15.46.59.png

HTTP2的请求的TCP的connection一旦建立,后续请求以stream的方式发送。每个stream的基本组成单位是frame(二进制帧)。客户端和服务器可以把 HTTP 消息分解为互不依赖的帧,然后乱序发送,最后再在另一端把它们重新组合起来。

HTTP2.0 通信都在一个连接上完成,这个连接可以承载任意数量的双向数据流。就好比,我请求一个页面 http://www.hollischuang.com 。页面上所有的资源请求都是客户端与服务器上的一条 TCP 上请求和响应的!

multi.png

header压缩

HTTP/1.1的header带有大量信息,而且每次都要重复发送。HTTP/2 为了减少这部分开销,采用了HPACK 头部压缩算法对Header进行压缩。

2020-12-22 15.46.59.png

服务端推送

简单来讲就是当用户的浏览器和服务器在建立连接后,服务器主动将一些资源推送给浏览器并缓存起来的机制。有了缓存,当浏览器想要访问已缓存的资源的时候就可以直接从缓存中读取了。

HTTP/2存在哪些问题,为什么要被弃用。

HTTP/2的诞生,主要是为了解决HTTP/1.1中的效率问题,HTTP/2中最核心的技术就是多路复用技术,即允许同时通过单一的HTTP/2.0连接发起多重的请求-响应消息。

同时还实现了二进制分帧、header压缩、服务端推送等技术。

多路复用.jpg

1 队头阻塞

早在HTTP/1.1时代,就一直存在着队头阻塞的问题。

只能说HTTP/2解决了HTTP的队头阻塞问题,但是并没有解决TCP队头阻塞问题!

  • HTTP/1.1相比较于HTTP/1.0来说,最主要的改进就是引入了持久连接(keep-alive)。

所谓的持久连接就是: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。

  • HTTP/1.1允许在持久连接上使用请求管道,是相对于持久连接的又一性能优化

所谓请求管道,就是在HTTP响应到达之前,可以将多条请求放入队列,当第一条HTTP请求通过网络流向服务器时,第二条和第三条请求也可以开始发送了。在高时延网络条件下,这样做可以降低网络的环回时间,提高性能。

tcp2.jpg

HTTP/1.1 管道连接还是有一定的限制和要求: 比较关键的就是服务端必须按照与请求相同的顺序回送HTTP响应。如果一个响应返回发生了延迟,那么其后续的响应都会被延迟,直到队头的响应送达。这就是所谓的HTTP队头阻塞。

HTTP/2中得到了有效的解决: HTTP/2废弃了管道化的方式,而是创新性的引入了帧、消息和数据流等概念。客户端和服务器可以把 HTTP 消息分解为互不依赖的帧,然后乱序发送,最后再在另一端把它们重新组合起来。因为没有顺序了,所以就不需要阻塞了,就有效的解决了HTTP对队头阻塞的问题。

tcp2.0.jpg

但是,HTTP/2仍然会存在TCP队头阻塞的问题,那是因为HTTP/2其实还是依赖TCP协议实现的。

TCP传输过程中会把数据拆分为一个个按照顺序排列的数据包,这些数据包通过网络传输到了接收端,接收端再按照顺序将这些数据包组合成原始数据,这样就完成了数据传输。

但是如果其中的某一个数据包没有按照顺序到达,接收端会一直保持连接等待数据包返回,这时候就会阻塞后续请求。这就发生了TCP队头阻塞

HTTP/1.1的管道化持久连接也是使得同一个TCP链接可以被多个HTTP使用,但是HTTP/1.1中规定一个域名可以有6个TCP连接。而HTTP/2中,同一个域名只是用一个TCP连接。

所以,在HTTP/2中,TCP队头阻塞造成的影响会更大,因为HTTP/2的多路复用技术使得多个请求其实是基于同一个TCP连接的,那如果某一个请求造成了TCP队头阻塞,那么多个请求都会受到影响。

2. TCP握手时长

提到TCP协议,大家最先想到的一定是他的三次握手与四次关闭的特性。

通过三次握手,TCP在传输过程中可以保证接收方收到的数据是完整,有序,无差错的。但是,问题是三次握手是需要消耗时间的,介绍一下关于网络延迟的概念.

rtt.jpg

TCP三次握手的过程客户端和服务器之间需要交互三次,那么也就是说需要消耗1.5 RTT。

如果使用的是安全的HTTPS协议,就还需要使用TLS协议进行安全数据传输,这个过程又要消耗一个RTT(TLS不同版本的握手机制不同,这里按照最小的消耗来算)

一个纯HTTP/2的连接,需要消耗1.5个RTT,如果是一个HTTPS连接,就需要消耗3-4个RTT。

如何解决?

如果TCP协议需要升级,那么意味着需要这些中间设备都能支持新的特性,我们知道路由器我们可以重新换一个,但是其他的那些中间设备呢?尤其是那些比较大型的设备呢?更换起来的成本是巨大的。

而且,除了中间设备之外,操作系统也是一个重要的因素,因为TCP协议需要通过操作系统内核来实现,而操作系统的更新也是非常滞后的。

放弃TCP,创造新的协议会和TCP的窘迫境界一样,那就是基于已有的协议做一些改造和支持,UDP就是一个绝佳的选择了。HTTP/3选择了一种新的技术方案,那就是基于UDP做改造,这种技术叫做QUIC。

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