3.6 HTTP/2 牛逼在哪？

不多 BB 了，直接发车！

一起来看看 HTTP/2 牛逼在哪？

HTTP/1.1 协议的性能问题

我们得先要了解下 HTTP/1.1 协议存在的性能问题，因为 HTTP/2 协议就是把这些性能问题逐个攻破了。

现在的站点相比以前变化太多了，比如：

消息的大小变大了，从几 KB 大小的消息，到几 MB 大小的消息；
页面资源变多了，从每个页面不到 10 个的资源，到每页超 100 多个资源；
内容形式变多样了，从单纯到文本内容，到图片、视频、音频等内容；
实时性要求变高了，对页面的实时性要求的应用越来越多；

这些变化带来的最大性能问题就是 HTTP/1.1 的高延迟，延迟高必然影响的就是用户体验。主要原因如下几个：

延迟难以下降，虽然现在网络的「带宽」相比以前变多了，但是延迟降到一定幅度后，就很难再下降了，说白了就是到达了延迟的下限；
并发连接有限，谷歌浏览器最大并发连接数是 6 个，而且每一个连接都要经过 TCP 和 TLS 握手耗时，以及 TCP 慢启动过程给流量带来的影响；
队头阻塞问题，同一连接只能在完成一个 HTTP 事务（请求和响应）后，才能处理下一个事务；
HTTP 头部巨大且重复，由于 HTTP 协议是无状态的，每一个请求都得携带 HTTP 头部，特别是对于有携带 Cookie 的头部，而 Cookie 的大小通常很大；
不支持服务器推送消息，因此当客户端需要获取通知时，只能通过定时器不断地拉取消息，这无疑浪费大量了带宽和服务器资源。

为了解决 HTTP/1.1 性能问题，具体的优化手段你可以看这篇文章「HTTP/1.1 如何优化？open in new window」，这里我举例几个常见的优化手段：

将多张小图合并成一张大图供浏览器 JavaScript 来切割使用，这样可以将多个请求合并成一个请求，但是带来了新的问题，当某张小图片更新了，那么需要重新请求大图片，浪费了大量的网络带宽；
将图片的二进制数据通过 Base64 编码后，把编码数据嵌入到 HTML 或 CSS 文件中，以此来减少网络请求次数；
将多个体积较小的 JavaScript 文件使用 Webpack 等工具打包成一个体积更大的 JavaScript 文件，以一个请求替代了很多个请求，但是带来的问题，当某个 js 文件变化了，需要重新请求同一个包里的所有 js 文件；
将同一个页面的资源分散到不同域名，提升并发连接上限，因为浏览器通常对同一域名的 HTTP 连接最大只能是 6 个；

尽管对 HTTP/1.1 协议的优化手段如此之多，但是效果还是不尽人意，因为这些手段都是对 HTTP/1.1 协议的“外部”做优化，而一些关键的地方是没办法优化的，比如请求 - 响应模型、头部巨大且重复、并发连接耗时、服务器不能主动推送等，要改变这些必须重新设计 HTTP 协议，于是 HTTP/2 就出来了！

兼容 HTTP/1.1

HTTP/2 出来的目的是为了改善 HTTP 的性能。协议升级有一个很重要的地方，就是要兼容老版本的协议，否则新协议推广起来就相当困难，所幸 HTTP/2 做到了兼容 HTTP/1.1。

那么，HTTP/2 是怎么做的呢？

第一点，HTTP/2 没有在 URI 里引入新的协议名，仍然用「http://」表示明文协议，用「https://」表示加密协议，于是只需要浏览器和服务器在背后自动升级协议，这样可以让用户意识不到协议的升级，很好的实现了协议的平滑升级。

第二点，只在应用层做了改变，还是基于 TCP 协议传输，应用层方面为了保持功能上的兼容，HTTP/2 把 HTTP 分解成了「语义」和「语法」两个部分，「语义」层不做改动，与 HTTP/1.1 完全一致，比如请求方法、状态码、头字段等规则保留不变。

但是，HTTP/2 在「语法」层面做了很多改造，基本改变了 HTTP 报文的传输格式。

头部压缩

HTTP 协议的报文是由「Header + Body」构成的，对于 Body 部分，HTTP/1.1 协议可以使用头字段「Content-Encoding」指定 Body 的压缩方式，比如用 gzip 压缩，这样可以节约带宽，但报文中的另外一部分 Header，是没有针对它的优化手段。

HTTP/1.1 报文中 Header 部分存在的问题：

含很多固定的字段，比如 Cookie、User Agent、Accept 等，这些字段加起来也高达几百字节甚至上千字节，所以有必要压缩；
大量的请求和响应的报文里有很多字段值都是重复的，这样会使得大量带宽被这些冗余的数据占用了，所以有必须要避免重复性；
字段是 ASCII 编码的，虽然易于人类观察，但效率低，所以有必要改成二进制编码；

HTTP/2 对 Header 部分做了大改造，把以上的问题都解决了。

HTTP/2 没使用常见的 gzip 压缩方式来压缩头部，而是开发了 HPACK 算法，HPACK 算法主要包含三个组成部分：

静态字典；
动态字典；
Huffman 编码（压缩算法）；

客户端和服务器两端都会建立和维护「字典」，用长度较小的索引号表示重复的字符串，再用 Huffman 编码压缩数据，可达到 50%~90% 的高压缩率。

静态表编码

HTTP/2 为高频出现在头部的字符串和字段建立了一张静态表，它是写入到 HTTP/2 框架里的，不会变化的，静态表里共有 61 组，如下图：

表中的 Index 表示索引（Key），Header Value 表示索引对应的 Value，Header Name 表示字段的名字，比如 Index 为 2 代表 GET，Index 为 8 代表状态码 200。

你可能注意到，表中有的 Index 没有对应的 Header Value，这是因为这些 Value 并不是固定的而是变化的，这些 Value 都会经过 Huffman 编码后，才会发送出去。

这么说有点抽象，我们来看个具体的例子，下面这个 server 头部字段，在 HTTP/1.1 的形式如下：

server: nghttpx\r\n

算上冒号空格和末尾的\r\n，共占用了 17 字节，而使用了静态表和 Huffman 编码，可以将它压缩成 8 字节，压缩率大概 47%。

我抓了个 HTTP/2 协议的网络包，你可以从下图看到，高亮部分就是 server 头部字段，只用了 8 个字节来表示 server 头部数据。

根据 RFC7541 规范，如果头部字段属于静态表范围，并且 Value 是变化，那么它的 HTTP/2 头部前 2 位固定为 01，所以整个头部格式如下图：

HTTP/2 头部由于基于二进制编码，就不需要冒号空格和末尾的\r\n 作为分隔符，于是改用表示字符串长度（Value Length）来分割 Index 和 Value。

接下来，根据这个头部格式来分析上面抓包的 server 头部的二进制数据。

首先，从静态表中能查到 server 头部字段的 Index 为 54，二进制为 110110，再加上固定 01，头部格式第 1 个字节就是 01110110，这正是上面抓包标注的红色部分的二进制数据。

然后，第二个字节的首个比特位表示 Value 是否经过 Huffman 编码，剩余的 7 位表示 Value 的长度，比如这次例子的第二个字节为 10000110，首位比特位为 1 就代表 Value 字符串是经过 Huffman 编码的，经过 Huffman 编码的 Value 长度为 6。

最后，字符串 nghttpx 经过 Huffman 编码后压缩成了 6 个字节，Huffman 编码的原理是将高频出现的信息用「较短」的编码表示，从而缩减字符串长度。

于是，在统计大量的 HTTP 头部后，HTTP/2 根据出现频率将 ASCII 码编码为了 Huffman 编码表，可以在 RFC7541 文档找到这张静态 Huffman 表，我就不把表的全部内容列出来了，我只列出字符串 nghttpx 中每个字符对应的 Huffman 编码，如下图：

通过查表后，字符串 nghttpx 的 Huffman 编码在下图看到，共 6 个字节，每一个字符的 Huffman 编码，我用相同的颜色将他们对应起来了，最后的 7 位是补位的。

最终，server 头部的二进制数据对应的静态头部格式如下：

动态表编码

静态表只包含了 61 种高频出现在头部的字符串，不在静态表范围内的头部字符串就要自行构建动态表，它的 Index 从 62 起步，会在编码解码的时候随时更新。

比如，第一次发送时头部中的「User-Agent 」字段数据有上百个字节，经过 Huffman 编码发送出去后，客户端和服务器双方都会更新自己的动态表，添加一个新的 Index 号 62。那么在下一次发送的时候，就不用重复发这个字段的数据了，只用发 1 个字节的 Index 号就好了，因为双方都可以根据自己的动态表获取到字段的数据。

所以，使得动态表生效有一个前提：必须同一个连接上，重复传输完全相同的 HTTP 头部。如果消息字段在 1 个连接上只发送了 1 次，或者重复传输时，字段总是略有变化，动态表就无法被充分利用了。

因此，随着在同一 HTTP/2 连接上发送的报文越来越多，客户端和服务器双方的「字典」积累的越来越多，理论上最终每个头部字段都会变成 1 个字节的 Index，这样便避免了大量的冗余数据的传输，大大节约了带宽。

理想很美好，现实很骨感。动态表越大，占用的内存也就越大，如果占用了太多内存，是会影响服务器性能的，因此 Web 服务器都会提供类似 http2_max_requests 的配置，用于限制一个连接上能够传输的请求数量，避免动态表无限增大，请求数量到达上限后，就会关闭 HTTP/2 连接来释放内存。

综上，HTTP/2 头部的编码通过「静态表、动态表、Huffman 编码」共同完成的。

二进制帧

HTTP/2 厉害的地方在于将 HTTP/1 的文本格式改成二进制格式传输数据，极大提高了 HTTP 传输效率，而且二进制数据使用位运算能高效解析。

你可以从下图看到，HTTP/1.1 的响应和 HTTP/2 的区别：

HTTP/2 把响应报文划分成了两类帧（Frame），图中的 HEADERS（首部）和 DATA（消息负载）是帧的类型，也就是说一条 HTTP 响应，划分成了两类帧来传输，并且采用二进制来编码。

比如状态码 200，在 HTTP/1.1 是用 '2''0''0' 三个字符来表示（二进制：00110010 00110000 00110000），共用了 3 个字节，如下图

在 HTTP/2 对于状态码 200 的二进制编码是 10001000，只用了 1 字节就能表示，相比于 HTTP/1.1 节省了 2 个字节，如下图：

Header: :status: 200 OK 的编码内容为：1000 1000，那么表达的含义是什么呢？

最前面的 1 标识该 Header 是静态表中已经存在的 KV。
我们再回顾一下之前的静态表内容，“:status: 200 OK”其静态表编码是 8，即 1000。

因此，整体加起来就是 1000 1000。

HTTP/2 二进制帧的结构如下图：

帧头（Frame Header）很小，只有 9 个字节，帧开头的前 3 个字节表示帧数据（Frame Playload）的长度。

帧长度后面的一个字节是表示帧的类型，HTTP/2 总共定义了 10 种类型的帧，一般分为数据帧和控制帧两类，如下表格：

帧类型后面的一个字节是标志位，可以保存 8 个标志位，用于携带简单的控制信息，比如：

END_HEADERS 表示头数据结束标志，相当于 HTTP/1 里头后的空行（“\r\n”）；
END_Stream 表示单方向数据发送结束，后续不会再有数据帧。
PRIORITY 表示流的优先级；

帧头的最后 4 个字节是流标识符（Stream ID），但最高位被保留不用，只有 31 位可以使用，因此流标识符的最大值是 2^31，大约是 21 亿，它的作用是用来标识该 Frame 属于哪个 Stream，接收方可以根据这个信息从乱序的帧里找到相同 Stream ID 的帧，从而有序组装信息。

最后面就是帧数据了，它存放的是通过 HPACK 算法压缩过的 HTTP 头部和包体。

并发传输

知道了 HTTP/2 的帧结构后，我们再来看看它是如何实现并发传输的。

我们都知道 HTTP/1.1 的实现是基于请求 - 响应模型的。同一个连接中，HTTP 完成一个事务（请求与响应），才能处理下一个事务，也就是说在发出请求等待响应的过程中，是没办法做其他事情的，如果响应迟迟不来，那么后续的请求是无法发送的，也造成了队头阻塞的问题。

而 HTTP/2 就很牛逼了，通过 Stream 这个设计，多个 Stream 复用一条 TCP 连接，达到并发的效果，解决了 HTTP/1.1 队头阻塞的问题，提高了 HTTP 传输的吞吐量。

为了理解 HTTP/2 的并发是怎样实现的，我们先来理解 HTTP/2 中的 Stream、Message、Frame 这 3 个概念。

你可以从上图中看到：

1 个 TCP 连接包含一个或者多个 Stream，Stream 是 HTTP/2 并发的关键技术；
Stream 里可以包含 1 个或多个 Message，Message 对应 HTTP/1 中的请求或响应，由 HTTP 头部和包体构成；
Message 里包含一条或者多个 Frame，Frame 是 HTTP/2 最小单位，以二进制压缩格式存放 HTTP/1 中的内容（头部和包体）；

因此，我们可以得出个结论：多个 Stream 跑在一条 TCP 连接，同一个 HTTP 请求与响应是跑在同一个 Stream 中，HTTP 消息可以由多个 Frame 构成，一个 Frame 可以由多个 TCP 报文构成。

在 HTTP/2 连接上，不同 Stream 的帧是可以乱序发送的（因此可以并发不同的 Stream），因为每个帧的头部会携带 Stream ID 信息，所以接收端可以通过 Stream ID 有序组装成 HTTP 消息，而同一 Stream 内部的帧必须是严格有序的。

比如下图，服务端并行交错地发送了两个响应：Stream 1 和 Stream 3，这两个 Stream 都是跑在一个 TCP 连接上，客户端收到后，会根据相同的 Stream ID 有序组装成 HTTP 消息。

客户端和服务器双方都可以建立 Stream，因为服务端可以主动推送资源给客户端，客户端建立的 Stream 必须是奇数号，而服务器建立的 Stream 必须是偶数号。

比如下图，Stream 1 是客户端向服务端请求的资源，属于客户端建立的 Stream，所以该 Stream 的 ID 是奇数（数字 1）；Stream 2 和 4 都是服务端主动向客户端推送的资源，属于服务端建立的 Stream，所以这两个 Stream 的 ID 是偶数（数字 2 和 4）。

同一个连接中的 Stream ID 是不能复用的，只能顺序递增，所以当 Stream ID 耗尽时，需要发一个控制帧 GOAWAY，用来关闭 TCP 连接。

在 Nginx 中，可以通过 http2_max_concurrent_Streams 配置来设置 Stream 的上限，默认是 128 个。

HTTP/2 通过 Stream 实现的并发，比 HTTP/1.1 通过 TCP 连接实现并发要牛逼的多，因为当 HTTP/2 实现 100 个并发 Stream 时，只需要建立一次 TCP 连接，而 HTTP/1.1 需要建立 100 个 TCP 连接，每个 TCP 连接都要经过 TCP 握手、慢启动以及 TLS 握手过程，这些都是很耗时的。

HTTP/2 还可以对每个 Stream 设置不同优先级，帧头中的「标志位」可以设置优先级，比如客户端访问 HTML/CSS 和图片资源时，希望服务器先传递 HTML/CSS，再传图片，那么就可以通过设置 Stream 的优先级来实现，以此提高用户体验。

服务器主动推送资源

HTTP/1.1 不支持服务器主动推送资源给客户端，都是由客户端向服务器发起请求后，才能获取到服务器响应的资源。

比如，客户端通过 HTTP/1.1 请求从服务器那获取到了 HTML 文件，而 HTML 可能还需要依赖 CSS 来渲染页面，这时客户端还要再发起获取 CSS 文件的请求，需要两次消息往返，如下图左边部分：

如上图右边部分，在 HTTP/2 中，客户端在访问 HTML 时，服务器可以直接主动推送 CSS 文件，减少了消息传递的次数。

在 Nginx 中，如果你希望客户端访问 /test.html 时，服务器直接推送 /test.css，那么可以这么配置：

location /test.html { 
  http2_push /test.css; 
}

那 HTTP/2 的推送是怎么实现的？

客户端发起的请求，必须使用的是奇数号 Stream，服务器主动的推送，使用的是偶数号 Stream。服务器在推送资源时，会通过 PUSH_PROMISE 帧传输 HTTP 头部，并通过帧中的 Promised Stream ID 字段告知客户端，接下来会在哪个偶数号 Stream 中发送包体。

如上图，在 Stream 1 中通知客户端 CSS 资源即将到来，然后在 Stream 2 中发送 CSS 资源，注意 Stream 1 和 2 是可以并发的。

总结

HTTP/2 协议其实还有很多内容，比如流控制、流状态、依赖关系等等。

这次主要介绍了关于 HTTP/2 是如何提升性能的几个方向，它相比 HTTP/1 大大提高了传输效率、吞吐能力。

第一点，对于常见的 HTTP 头部通过静态表和 Huffman 编码的方式，将体积压缩了近一半，而且针对后续的请求头部，还可以建立动态表，将体积压缩近 90%，大大提高了编码效率，同时节约了带宽资源。

不过，动态表并非可以无限增大，因为动态表是会占用内存的，动态表越大，内存也越大，容易影响服务器总体的并发能力，因此服务器需要限制 HTTP/2 连接时长或者请求次数。

第二点，HTTP/2 实现了 Stream 并发，多个 Stream 只需复用 1 个 TCP 连接，节约了 TCP 和 TLS 握手时间，以及减少了 TCP 慢启动阶段对流量的影响。不同的 Stream ID 可以并发，即使乱序发送帧也没问题，比如发送 A 请求帧 1 -> B 请求帧 1 -> A 请求帧 2 -> B 请求帧 2，但是同一个 Stream 里的帧必须严格有序。

另外，可以根据资源的渲染顺序来设置 Stream 的优先级，从而提高用户体验。

第三点，服务器支持主动推送资源，大大提升了消息的传输性能，服务器推送资源时，会先发送 PUSH_PROMISE 帧，告诉客户端接下来在哪个 Stream 发送资源，然后用偶数号 Stream 发送资源给客户端。

HTTP/2 通过 Stream 的并发能力，解决了 HTTP/1 队头阻塞的问题，看似很完美了，但是 HTTP/2 还是存在“队头阻塞”的问题，只不过问题不是在 HTTP 这一层面，而是在 TCP 这一层。

HTTP/2 是基于 TCP 协议来传输数据的，TCP 是字节流协议，TCP 层必须保证收到的字节数据是完整且连续的，这样内核才会将缓冲区里的数据返回给 HTTP 应用，那么当「前 1 个字节数据」没有到达时，后收到的字节数据只能存放在内核缓冲区里，只有等到这 1 个字节数据到达时，HTTP/2 应用层才能从内核中拿到数据，这就是 HTTP/2 队头阻塞问题。

有没有什么解决方案呢？既然是 TCP 协议自身的问题，那干脆放弃 TCP 协议，转而使用 UDP 协议作为传输层协议，这个大胆的决定，HTTP/3 协议做了！

参考资料：