HTTP系列-HTTP/2篇
2022-12-20·5min
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Dec 20, 2022
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HTTP有两个主要的缺点，分别是安全性不足和性能不佳。
安全性不足的缺点通过引入SSL/TLS得到了修补，但在性能的提升上却乏善可陈。于是在HTTPS逐渐成熟之后，HTTP就朝着性能方面开始走向了进化之路。
HTTP/2
由于不堪忍受HTTP/1.1的性能问题，Google率先打响了协议“革命”的第一枪，发明了SPDY协议，并应用于自家的浏览器Chrome。随后标准化组织以SPDY为基础推出了HTTP/2，在性能改善方面有了一个大的飞跃。
兼容性
由于HTTP/1.1已经推出很久了，有无数互联网设备正在使用。所以HTTP/2的协议修改必须要小心谨慎，兼容性是首要考虑的目标，否则就会影响到现有的互联网资产。
为了保持功能上的兼容，HTTP/1.1中的请求方法、状态码、URI和头部字段等都保留不变，这就意味着基于HTTP/1.1的应用不用做任何修改就可以无缝切换到HTTP/2。
并且，与HTTPS不同，HTTP/2没有在URI里引入新的协议名，仍然用“HTTP“表示明文协议，”HTTPS“表示密文协议。这就意味着浏览器或服务器可以自动的升级或降级协议，这个过程对于用户是无感的，实现平滑过渡。
头部压缩
HTTP/1.1可以在头部字段中使用“Content-Encoding”来指定Body的编码方式，通过压缩来减少数据传输量，节约带宽。
但对于Header部分，却没有相应的优化手段。报文Header一般会有一些固定的头字段，多达几百字节甚至上千字节，但Body部分却经常只有几十字节（比如GET请求、204/301/304 响应），并且很多请求响应报文里有不少字段值都是重复的，大量带宽浪费在了这些冗余的数据上。
HTTP/2针对这个问题推出了“头部压缩”，开发了专门的“HPACK”算法来压缩头部数据。
“HPACK”与gzip等压缩算法不同，它是一个“有状态”的算法，需要客户端和服务端各自维护一份“索引表”，压缩和解压就是查表和更新表的操作。
为了方便管理和压缩，HTTP/2取消了起始行的概念，去掉了没什么用的协议版本号和状态短语。将起始行里的状态码、URI、请求方法统一转换为了头字段的形式，并在它们的名字前加一个“:”，用来区分其他“真头字段”。
将报文头全都变成“key-value”形式的字段之后，HTTP/2为一些最常用的头字段定义了一个只读的“静态表”，只要通过下标查询就能知道字段名和对应的值。例如数字“2”代表“GET”，数字“8”代表状态码 200。
对于一些只有key没有value，或者自定义头字段，HTTP/2定义了一个“动态表”，它添加在静态表后面，结构相同，但会在编码解码的时候随时更新。
随着客户端和服务端互相发送的报文越来越多，两边的”索引表“也会越来越丰富，发送时只需要发送一两个字节的索引即可，大大节约了带宽和冗余的数据。
二进制帧与流
HTTP/2报文废弃了纯文本格式，全面采用二进制格式。二进制格式虽然对人不友好，调试起来困难，但是却大大方便了计算机的解析，做到了内部提效。
HTTP/2吸收了部分TCP协议的特性，把原来“Header”+“Body”的消息“打散”为数个小片的二进制帧（Frame），用“HEADERS”帧存放头数据、“DATA”帧存放实体数据。
HTTP/2 的帧结构类似TCP的段或者TLS里的记录，也是在实际传输的数据前加上自己的头数据。
这个二进制头分为四个部分：帧长度、帧类型、帧标志和流标识符。
- 帧长度：3个字节，HTTP/2的帧通常不超过16K，最大是16M。
- 帧类型：分成数据帧和控制帧两类，HEADERS帧和DATA帧属于数据帧，存放的是HTTP报文，而SETTINGS、PING、PRIORITY等则是用来管理流的控制帧。
- 帧标志：可以保存8个标志位，携带简单的控制信息。常用的标志位有END_HEADERS表示头数据结束。END_STREAM表示单方向数据发送结束。
- 流标识符：标识帧所属的“流”，接收方使用它就可以从乱序的帧里识别出具有相同流ID的帧序列，按顺序组装起来就实现了虚拟的“流”。
与二进制帧相关的还有一个“流”的概念，可以理解为：一个流就等同于一个HTTP/1.1里的”请求-应答“。具有相同流ID的二进制帧会在被接受后按顺序组装成为请求报文和响应报文。
HTTP/2可以在一个TCP连接上发送很多具有不同流ID的二进制帧，也就是搭建多个流。在流的层面上看，消息都是一些有序的“帧”序列，但在TCP连接层面来看，只是一堆无序的二进制帧，这就是常说的多路复用，多个往返通信都复用一个连接来处理。
这样多个请求/响应之间没有了顺序关系，不需要排队等待，基本上解决了“队头阻塞”的问题，降低了延迟，大幅度提高了连接的利用率。
并且为了能够更好利用连接，HTTP/2还能通过控制帧来管理“流”，实现优先级管理和流量控制。
服务器推送Server Push
HTTP/2在一定程度上改变了传统的“请求 - 应答”工作模式，服务器不再是完全被动地响应请求，也可以新建“流”主动向客户端发送消息。比如，在浏览器刚请求HTML的时候就提前把可能会用到的JS、CSS文件发给客户端，减少等待的延迟。
强化安全
出于兼容的考虑，HTTP/2延续了明文的特点，不强制使用加密通信。
但由于HTTPS已经是大势所趋，并且主流的浏览器公开宣布只支持加密的HTTP/2，所以事实上的HTTP/2是加密的，也就是说互联网上所能见到的HTTP/2都是使用https协议名，跑在TLS上面。
HTTP/2对于TLS的版本也有要求，只支持TLS1.2及以上的版本。