第186题：HTTP/2 对比 HTTP/1.1，特性是什么？是如何解决队头阻塞与压缩头部的？

Question

队头阻塞与短连接/长连接无关，而是由 HTTP 基本的 请求-应答 模式所导致的：

• 因为HTTP规定报文必须 一发一收，这就形成了一共先进先出的串行队列。队列里的请求没有轻重缓急的优先级，只有入队的先后顺序，排在最前面的请求被最先处理。
• 如果队首的请求因为处理的太慢耽误了时间，那么队列里后面的所有请求也不得不跟着一起等待，结果就是其他的请求承担了不应有的时间成本。

Answer 1

引言

本文主要通过以下四个方面介绍，循序渐进走进HTTP/2：

• HTTP/1.1发明以来发生了哪些变化？
• HTTP/1.1 协议的性能缺陷
• HTTP/2 新特性
• HTTP/2 遗留问题

HTTP/1.1发明以来发生了哪些变化？

近年来，如果你仔细观察那些最流行的网站首页所需要下载的资源的话，会发现一个非常明显的趋势：

• 消息变大 ：从几 KB 大小的消息，到几 MB 大小的消息；
• 页面资源变多 ：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 ：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 ：对页面的实时性要求的应用越来越多；

正如下图所示，从 2011 年以来, 传输数据大小与平均请求资源数量不断持续增长，并没有减缓的迹象（绿色：传输数据大小，红色：平均请求资源数量）：

自从 1997 年 HTTP/1.1 发布以来，我们已经使用 HTTP/1.x 相当长一段时间了，但近几年内容的爆炸式成长使得 HTTP/1.1 越来越无法满足现代网络的需求了

HTTP/1.1 协议的性能缺陷

1. 高延迟：页面访问速度下降

虽然近几年来网络带宽增长非常快，然而我们却并没有看到网络延迟有对应程度的降低，这主要是由于队头阻塞 (Head-Of-Line Blocking)问题导致

HTTP/1.1 版引入了管道机制（pipelining），即在同一个TCP连接里面，客户端可以同时发送多个请求，进一步改进了 HTTP 协议的效率

但这要求服务端必须按照请求发送的顺序返回响应，当顺序请求多个文件时，其中一个请求因为某种原因被阻塞时，在后面排队的所有请求也一并被阻塞，这就是队头阻塞 (Head-Of-Line Blocking)

队头阻塞导致再打的带宽无法被充分利用

因此 人们尝试过以下办法来解决队头阻塞问题：

• 使用多个域名 ：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
• 引入雪碧图 ：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；
• 将小图内联 ：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；

.icon {
    background: url(data:image/png;base64,<data>) no-repeat;
}

• 使用 webpack 等工具打包 ：打包压缩多个 JavaScript 文件到一个文件中，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；
• 按需加载 ：来减少第一时间的 HTTP 请求次数

2. 明文传输：不安全

HTTP/1.1 在传输数据时，所有传输的内容都是明文，客户端和服务器端都无法验证对方的身份，这在一定程度上无法保证数据的安全性。

3. 无状态：头部巨大切重复

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，另外还有User Agent、Accept、Server等，通常多达几百字节甚至上千字节，但 Body 却经常只有几十字节

4. 不支持服务器推送

HTTP/1.1 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。

HTTP/2 新特性

在 HTTP/1.x 中，为了性能考虑，我们会引入雪碧图、将小图内联、使用多个域名等等的方式，但还是有一些关键点无法优化，例如HTTP头部巨大且重复、明文传输不安全、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！

2015 年，HTTP/2 发布。HTTP/2 是现行 HTTP 协议（HTTP/1.x）的替代，但它不是重写，HTTP 方法 / 状态码 / 语义都与 HTTP/1.x 一样。HTTP/2 基于 SPDY，专注于性能，最大的目标是在用户和网站间只用一个连接（connec-tion）。

从目前的情况来看，国内外一些排名靠前的站点基本都实现了 HTTP/2 的部署，使用 HTTP/2 能带来 20%~60% 的效率提升。

可以通过该链接直观感受下 HTTP/2 比 HTTP/1 到底快了多少: https://http2.akamai.com/demo

1. 二进制传输

在不改动 HTTP/1.x 的语义、方法、状态码、URI 以及首部字段….. 的情况下，HTTP/2 是如何做到「突破 HTTP1.1 的性能限制，改进传输性能，实现低延迟和高吞吐量」的 ?

关键之一就是在应用层(HTTP/2)和传输层(TCP or UDP)之间增加一个二进制分帧层。

在二进制分帧层中， HTTP/2 会将所有传输的信息分割为更小的消息和帧（frame），并对它们采用二进制格式的编码，其中 HTTP1.x 的首部信息会被封装到 HEADERS 帧，而相应的 Request Body 则封装到 DATA 帧里面，HTTP/2 数据分帧后，“Header+Body"的报文结构就完全消失了，协议看到的只是一个个"碎片”。

HTTP/2 中，同域名下所有通信都在单个连接上完成，该连接可以承载任意数量的双向数据流。每个数据流都以消息的形式发送，而消息又由一个或多个帧组成。多个帧之间可以乱序发送，根据帧首部的流标识可以重新组装

2. Header 压缩（HPACK）

HTTP 协议不带有状态，每次请求都必须附上所有信息。所以，请求的很多字段都是重复的，比如Cookie和User Agent，一模一样的内容，每次请求都必须附带，这会浪费很多带宽，也影响速度。

HTTP/2 对这一点做了优化，引入了头信息压缩机制（header compression）。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，生成一个索引号，以后就不发送同样字段了，只发送索引号，这样就提高速度了。

3. 多路复用

在 HTTP/2 中引入了多路复用的技术。多路复用很好地解决了浏览器限制同一个域名下请求数量的问题，同时也更容易实现全速传输，毕竟新开一个 TCP 连接都需要慢慢提升传输速度。

多路复用，就是在一个 TCP 连接中可以存在多条流。换句话说，也就是可以发送多个请求，对端可以通过帧中的标识知道属于哪个请求。

这一特性使得 HTTP 传输性能得到极大提升，主要体现在以下三个方面：

多工

HTTP/2 复用 TCP 连接，在一个连接里，客户端和浏览器都可以同时发送多个请求或回应，而且不用按照顺序一一对应，这样就避免了"队头堵塞"

数据流

HTTP/2 并行交错地发送多个请求 / 响应，请求 / 响应之间互不影响

因此，必须要对数据包做标记，指出它属于哪个请求 / 响应。

HTTP/2 将每个请求或回应的所有数据包，称为一个数据流（stream）。每个数据流都有一个独一无二的编号。数据包发送的时候，都必须标记数据流ID，用来区分它属于哪个数据流。另外还规定，客户端发出的数据流，ID一律为奇数，服务器发出的，ID为偶数。

数据流发送到一半的时候，客户端和服务器都可以发送信号（RST_STREAM帧），取消这个数据流。1.1版取消数据流的唯一方法，就是关闭TCP连接。这就是说，HTTP/2 可以取消某一次请求，同时保证TCP连接还打开着，可以被其他请求使用。

优先级

在 HTTP/2 中，每个请求都可以带一个 31bit 的优先值，0 表示最高优先级， 数值越大优先级越低。有了这个优先值，客户端和服务器就可以在处理不同的流时采取不同的策略，以最优的方式发送流、消息和帧。

4. 服务端 Push

HTTP/2 允许服务器未经请求，主动向客户端发送资源，这叫做服务器推送（server push）。

常见场景是客户端请求一个网页，这个网页里面包含很多静态资源。正常情况下，客户端必须收到网页后，解析HTML源码，发现有静态资源，再发出静态资源请求。其实，服务器可以预期到客户端请求网页后，很可能会再请求静态资源，所以就主动把这些静态资源随着网页一起发给客户端了。

这样就可以相对减少一点延迟时间。当然在浏览器兼容的情况下你也可以使用 prefetch 。

注意： 服务端可以主动推送，客户端也可以主动选择是否接收，如果服务端推送的资源已经被浏览器缓存过，浏览器可以通过发送 RST_STREAM 帧来拒收，另外，主动推送也遵守同源策略

5. 提高安全性

出于兼容的考虑，HTTP/2 延续了 HTTP/1 的“明文”特点，可以像以前一样使用明文传输数据，不强制使用加密通信，但 HTTPS 已经是大势所趋，各大主流浏览器都公开宣布只支持加密的 HTTP/2，所以，真实应用中的 HTTP/2 是还是加密的：

HTTP/2 遗留问题

HTTP/2 还会队头阻塞吗？

HTTP/2 也存在队头阻塞问题，比如丢包。

如果造成队头阻塞，问题可能比http1.1还严重，因为只有一个tcp连接，后续的传输都要等前面，http/1.1 多个tcp连接，阻塞一个，其他的还可以正常跑

HTTP/2下还会拥塞吗？

• 由于 TCP 连接减少而使网络拥塞状况得以改观；

• 慢启动时间减少，拥塞和丢包恢复速度更快。

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