Http协议浅析

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HTTP/1.x

在早期,HTTP 使用一个简单的模型来处理这样的连接。这些连接的生命周期是短暂的:每发起一个请求时都会创建一个新的连接,并在收到应答时立即关闭。

当请求发起时,网络延迟和带宽都会对性能造成影响。现代浏览器往往要发起很多次请求(十几个或者更多)才能拿到所需的完整信息,证明了这个早期模型的效率低下。

在 HTTP/1.x 里有多种模型:短连接, 长连接, 和 HTTP 流水线。

HTTP三种模型

短链接模型

HTTP/1.0 的默认模型。每一个 HTTP 请求都由它自己独立的连接完成;这意味着发起每一个 HTTP 请求之前都会有一次 TCP 握手,而且是连续不断的。

在 HTTP/1.1 中,只有当 Connection 被设置为 close 时才会用到这个模型

长连接模型

保持连接去完成多次连续的请求,减少了不断重新打开连接的时间。在 HTTP/1.1 里,默认就是长连接的。

短连接有两个比较大的问题:创建新连接耗费的时间尤为明显,另外 TCP 连接的性能只有在该连接被使用一段时间后(热连接)才能得到改善。另外我们知道,TCP协议有个滑动窗口,有慢启动这回事,就是说每次建立新连接后,数据先是慢慢地传,然后滑动窗口慢慢变大,才能较高速度地传。

具体流程:

一个长连接会保持一段时间,重复用于发送一系列请求,节省了新建 TCP 连接握手的时间,还可以利用 TCP 的性能增强能力。当然这个连接也不会一直保留着:连接在空闲一段时间后会被关闭(服务器可以使用 Keep-Alive 协议头来指定一个最小的连接保持时间)。

缺点:

就算是在空闲状态,它还是会消耗服务器资源,而且在重负载时,还有可能遭受 DoS attacks 攻击。这种场景下,可以使用非长连接,即尽快关闭那些空闲的连接,也能对性能有所提升。

流水线模型

多个连续的请求甚至都不用等待立即返回就可以被发送。HTTP 流水线在现代浏览器中并不是默认被启用的。

默认情况下,HTTP 请求是按顺序发出的。下一个请求只有在当前请求收到应答过后才会被发出。由于会受到网络延迟和带宽的限制,在下一个请求被发送到服务器之前,可能需要等待很长时间。

流水线是在同一条长连接上发出连续的请求,而不用等待应答返回。这样可以避免连接延迟。理论上讲,性能还会因为两个 HTTP 请求有可能被打包到一个 TCP 消息包中而得到提升。就算 HTTP 请求不断的继续,尺寸会增加,但设置 TCP 的 MSS(Maximum Segment Size) 选项,仍然足够包含一系列简单的请求。

HTTP/2

HTTP/2 没有改动 HTTP 的应用语义。 HTTP 方法、状态代码、URI 和标头字段等核心概念一如往常。 不过,HTTP/2 修改了数据格式化(分帧)以及在客户端与服务器间传输的方式。这两点统帅全局,通过新的分帧层向我们的应用隐藏了所有复杂性。 因此,所有现有的应用都可以不必修改而在新协议下运行。

为什么不是 HTTP/1.2?

为了实现 HTTP 工作组设定的性能目标,HTTP/2 引入了一个新的二进制分帧层,该层无法与之前的 HTTP/1.x 服务器和客户端向后兼容,因此协议的主版本提升到 HTTP/2。

二进制分帧层

HTTP/2 所有性能增强的核心在于新的二进制分帧层,它定义了如何封装 HTTP 消息并在客户端与服务器之间传输。

HTTP/2二进制分帧层

这里所谓的“层”,指的是位于套接字接口与应用可见的高级 HTTP API 之间一个经过优化的新编码机制:HTTP 的语义(包括各种动词、方法、标头)都不受影响,不同的是传输期间对它们的编码方式变了。 HTTP/1.x 协议以换行符作为纯文本的分隔符,而 HTTP/2 将所有传输的信息分割为更小的消息和帧,并采用二进制格式对它们编码。

数据流、消息和帧

  • 数据流:已建立的连接内的双向字节流,可以承载一条或多条消息。
  • 消息:与逻辑请求或响应消息对应的完整的一系列帧。
  • :HTTP/2 通信的最小单位,每个帧都包含帧头,至少也会标识出当前帧所属的数据流。

关系:

  • 所有通信都在一个 TCP 连接上完成,此连接可以承载任意数量的双向数据流。
  • 每个数据流都有一个唯一的标识符和可选的优先级信息,用于承载双向消息。
  • 每条消息都是一条逻辑 HTTP 消息(例如请求或响应),包含一个或多个帧。
  • 帧是最小的通信单位,承载着特定类型的数据,例如 HTTP 标头、消息负载等等。 来自不同数据流的帧可以交错发送,然后再根据每个帧头的数据流标识符重新组装。

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HTTP/2 帧结构如下:

帧结构

实际的传输过程可能是下面这样(吞吐量增大):

HTTP/2传输

请求与响应复用

HTTP/2 中新的二进制分帧层实现了完整的请求和响应复用: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。

请求与复用

数据流优先级

数据流优先级

我们来看一下上图中的几个操作示例。 从左到右依次为:

  1. 数据流 A 和数据流 B 都没有指定父依赖项,依赖于隐式“根数据流”;A 的权重为 12,B 的权重为 4。因此,根据比例权重:数据流 B 获得的资源是 A 所获资源的三分之一。
  2. 数据流 D 依赖于根数据流;C 依赖于 D。 因此,D 应先于 C 获得完整资源分配。 权重不重要,因为 C 的依赖关系拥有更高的优先级。
  3. 数据流 D 应先于 C 获得完整资源分配;C 应先于 A 和 B 获得完整资源分配;数据流 B 获得的资源是 A 所获资源的三分之一。
  4. 数据流 D 应先于 E 和 C 获得完整资源分配;E 和 C 应先于 A 和 B 获得相同的资源分配;A 和 B 应基于其权重获得比例分配。

流控制

流控制是一种阻止发送方向接收方发送大量数据的机制,以免超出后者的需求或处理能力:发送方可能非常繁忙、处于较高的负载之下,也可能仅仅希望为特定数据流分配固定量的资源。 例如,客户端可能请求了一个具有较高优先级的大型视频流,但是用户已经暂停视频,客户端现在希望暂停或限制从服务器的传输,以免提取和缓冲不必要的数据。 再比如,一个代理服务器可能具有较快的下游连接和较慢的上游连接,并且也希望调节下游连接传输数据的速度以匹配上游连接的速度来控制其资源利用率;等等。类似TCP流量控制。

服务器推送

TTP/2 新增的另一个强大的新功能是,服务器可以对一个客户端请求发送多个响应。 换句话说,除了对最初请求的响应外,服务器还可以向客户端推送额外资源(图 12-5),而无需客户端明确地请求。

服务器推送

标头压缩

每个 HTTP 传输都承载一组标头,这些标头说明了传输的资源及其属性。 在 HTTP/1.x 中,此元数据始终以纯文本形式,通常会给每个传输增加 500–800 字节的开销。如果使用 HTTP Cookie,增加的开销有时会达到上千字节。为了减少此开销和提升性能,HTTP/2 使用 HPACK 压缩格式压缩请求和响应标头元数据,这种格式采用两种简单但是强大的技术:

  1. 这种格式支持通过静态霍夫曼代码对传输的标头字段进行编码,从而减小了各个传输的大小。
  2. 这种格式要求客户端和服务器同时维护和更新一个包含之前见过的标头字段的索引列表(换句话说,它可以建立一个共享的压缩上下文),此列表随后会用作参考,对之前传输的值进行有效编码。

利用霍夫曼编码,可以在传输时对各个值进行压缩,而利用之前传输值的索引列表,我们可以通过传输索引值的方式对重复值进行编码,索引值可用于有效查询和重构完整的标头键值对。

标头压缩


参考链接:

  1. HTTP 连接管理进化论
  2. https://developers.google.com/web/fundamentals/performance/http2?hl=zh-cn
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作者
Victor
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