04 网络面经：HTTP 2.0的这些新特性，是时候了解一下了

发表于： 2021年9月2日 2021年9月2日
分类： Java
标签： http, http2, 网络协议

面试中关于HTTP 2.0的面试题并不多，但基于HTTP 2.0的应用已经很多了，比如谷歌的gRPC框架就是基于HTTP 2.0来提升效率的。同时，HTTP 1.0中的存在的很多缺陷也都在HTTP 2.0中得到了解决。

所以，如果你在面试中脱颖而出，同时，在实践中更好的理解类似gRPC这类框架的实现，了解HTTP 2.0还是非常必要的。而且HTTP 2.0也在很多场景下逐步替代HTTP 1.0。

HTTP 1.0存在的问题

了解过HTTP 1.0的协议实现之后，会发现它存在不少问题。

问题一：TCP连接数限制。为了避免网络拥堵，占用过多的CPU和内存。因此，不同的浏览器会限制TCP连接的数量。

问题二：队头阻塞问题。队头阻塞（Head Of Line Blocking），每个TCP同时只能处理一个HTTP请求，浏览器遵循FIFO原则，如果上一个没返回后续请求会被阻塞。

虽然提出了管道化（Pipelining）方案，但依旧存在诸多问题。比如，第一个响应慢还是会阻塞后续响应；服务器为了按序返回需要缓存多个响应，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；还有必须客户端 – 代理 – 服务器都支持管线化。

问题三：Header内容过多，每次都需重复发送，没有相应的压缩传输优化方案；

问题四：为了减少请求数，需做文件合并等优化工作，但同时会增加单个请求的延迟；

问题五：明文传输不安全；

HTTP 2.0的出现

针对HTTP 1.0的问题，RFC 7540定义了HTTP 2.0的协议规范和细节。HTTP 2.0的实现是基于SPDY协议的一些标准来实现的。

HTTP 2.0提供了：二进制分帧、首部压缩、多路复用、请求优先级、服务器推送等优化。

HTTP 2.0是在SPDY（An experimental protocol for a faster web, The Chromium Projects）基础上形成的下一代互联网通信协议。HTTP/2 的目的是通过支持请求与响应的多路复用来较少延迟，通过压缩HTTPS首部字段将协议开销降低，同时增加请求优先级和服务器端推送的支持。

什么是SPDY协议

SPDY是Google开发的基于TCP协议的应用层协议。目标是优化HTTP协议的性能，通过压缩、多路复用和优先级等技术，缩短网页的加载时间并提高安全性。协议的核心思想是尽量减少TCP连接数。SPDY并不是一种用于替代HTTP的协议，而是对HTTP协议的增强。

互联网工程任务组（IETF）对谷歌提出的SPDY协议进行了标准化，于2015年5推出了类似于SPDY协议的HTTP 2.0协议标准（简称HTTP/2）。谷歌因此宣布放弃对SPDY协议的支持，转而支持HTTP/2。

下面详细了解一下HTTP 2.0提供的新特性。

二进制分帧层 (Binary Framing Layer)

在保证HTTP1.x不受到影响的情况下，HTTP 2.0是怎样突破HTTP 1.1的性能限制，改进传输性能，实现低延迟高吞吐量的呢？关键之一就是在应用层（HTTP）和传输层（TCP）之间增加一个二进制分帧层。二进制分帧层，是HTTP 2.0性能增强的核心。

HTTP 1.1在应用层以纯文本的形式进行通信，而HTTP 2.0将所有的传输信息分割为更小的消息和帧，并对它们采用二进制格式编码。同时，客户端和服务端都需要引入新的二进制编码和解码的机制。如下图所示，HTTP 2.0并没有改变HTTP 1.x的语义，只是在应用层使用二进制分帧方式传输。

关于二进制分帧，有三个相关概念：帧、消息和流。

帧：HTTP 2.0通信的最小单位，所有帧都共享一个8字节的首部，其中包含帧的长度、类型、标志、还有一个保留位，并且至少有标识出当前帧所属的流的标识符，帧承载着特定类型的数据，如HTTP首部、负荷等等。

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

基于帧，以二进制传输代替原本的明文传输，原本的报文消息被划分为更小的数据帧:

在二进制分帧层上，HTTP 2.0会将所有传输的信息分为更小的消息和帧，并采用二进制格式编码，其中HTTP 1.1的首部信息会被封装到Headers帧，而Request Body则封装到Data帧。

消息：比帧大的通讯单位，是指逻辑上的HTTP消息（请求/响应），一系列数据帧组成了一个完整的消息。比如一系列DATA帧和一个HEADERS帧组成了请求消息。由一个或多个帧组成。

流：比消息大的通讯单位，是TCP连接中的一个虚拟通道，可以承载双向的消息。每个流都有一个唯一的整数标识符。

为防止两端流ID冲突，客户端发起的流具有奇数ID，服务器端发起的流具有偶数ID。所有HTTP 2. 0通信都在一个TCP连接上完成，这个连接可以承载任意数量的双向数据流Stream。相应地，每个数据流以消息的形式发送，而消息由一或多个帧组成，这些帧可以乱序发送，然后根据每个帧首部的流标识符重新组装。

二进制分帧层保留了HTTP的语义不受影响，包括首部、方法等，在应用层来看，和HTTP 1.x没有差别。同时，所有同主机的通信能够在一个TCP连接上完成。

单连接多资源的方式，减少服务端的链接压力,内存占用更少,连接吞吐量更大；
由于TCP连接的减少而使网络拥塞状况得以改善，同时慢启动时间的减少,使拥塞和丢包恢复速度更快。

多路复用 (MultiPlexing)

多路复用允许同时通过一个TCP连接发起多重的请求-响应消息。消息由帧构成，每帧数据上都标识属于哪个流（StreamID），对方接收时根据流ID拼接每个流所有帧的数据，组成一块完整的数据。这就是HTTP/2的多路复用。

流的概念实现了单连接上多请求-响应并行，解决了“队头阻塞（Head of line blocking）”的问题，减少了TCP连接数量和TCP连接慢启动的问题。所以HTTP/2对于同一域名只需要创建一个连接，而不是像HTTP/1那样需要创建6~8个连接。

需要注意的是不同流的数据可以交叉发送，但同一个流的数据只能顺序发送。

服务端推送 (Server Push)

客户端发送一个请求，服务器根据客户端的请求，提前返回多个响应，这样客户端就不用发起后续请求。也就是说，在HTTP/2中，服务器可以对客户端的一个请求发送多个响应。服务器向客户端推送资源无需客户端明确的请求。

如下图，客户端请求Stream 1(/page.html)，服务端在返回Stream 1消息的同时推送了Stream 2(/script.js)和Stream 4(/style.css)：

如果一个请求是由主页发送的，服务器可能会响应主页内容、logo以及样式表，因为它知道客户端会用到这些。这样不但减轻了数据传送冗余步骤，也加快了页面响应的速度，提高了用户体验。

服务端推送主要是针对资源内联做出的优化，相较于HTTP/1.1资源内联的优势：

客户端可以缓存推送的资源；
客户端可以拒收推送过来的资源；
推送资源可以由不同页面共享；
服务器可以按照优先级推送资源；

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

Header 压缩 (HPACK)

HTTP/1.1并不支持HTTP首部压缩，为此SPDY和HTTP/2应运而生， SPDY使用的是通用的算法，而HTTP/2则使用了专门为首部压缩而设计的算法（HPACK算法）。

HTTP协议是无状态的，每次请求都必须附上所有信息（描述资源属性），重传数据达到几百甚至几千字节。所以，请求头字段很多都是重复的，比如Cookie，一样的内容每次请求都必须附带，会浪费很多带宽，也影响速度。

其实，对于相同的头部，只需发送一次即可。HTTP/2对这一点做了优化，引入了头信息压缩机制。一方面，头信息使用gzip或compress压缩后再发送；另一方面，客户端和服务器同时维护一张头信息表，所有字段都会存入这个表，产生一个索引号，之后就不发送同样字段了，只需发送索引号。

请求优先级

把HTTP消息分为很多独立帧之后，就可以通过优化这些帧的交错和传输顺序进一步优化性能。HTTP/2中每个Stream都可以设置依赖 (Dependency) 和权重，可以按依赖树分配优先级，解决了关键请求被阻塞的问题。

应用层的重置连接

对于HTTP/1来说，是通过设置tcp segment中的reset flag来通知对端关闭连接的。这种方式会直接断开连接，下次再发请求就必须重新建立连接。HTTP/2引入 RST_STREAM类型的 frame，可以在不断开连接的前提下取消某个request的stream，表现更好。

流量控制

TCP协议是通过sliding window算法来做流量控制的。发送方有一个sending window，接收方有一个receive window。HTTP/2的flow control类似receive window，数据接收方通知对方字节的flow window大小，表明还能接收的数据量。只有Data类型的frame才有flow control功能。

通过上述方式，可以限制另一端发送数据。对于每个流来说，两端都必须告诉对方自己还有足够的空间来处理新的数据，而在该窗口被扩大前，另一端只被允许发送这么多数据。

小结

每一个新的协议的应用普及都需要一个过程，HTTP/2也不例外。还好的是，它是上层协议，而且只是在HTTP/1和TCP之间添加了一层，逐步被使用必然是趋势。在了解了HTTP/2的这些新特性之后，或许你已经明白，为什么越来越多的浏览器、中间件开始采用HTTP/2了。因为，它的确非常高效，值得你学习并运用。