深入浅出：HTTP/2

上篇文章深入浅出：5G和HTTP里给自己挖了一根深坑，说是要写一篇关于HTTP/2的文章，今天来还账了。

本文分为以下几个部分：

HTTP/2的背景
HTTP/2的特点
HTTP/2的协议分析
HTTP/2的支持

HTTP/2简介

HTTP/2主要是为了解决现HTTP 1.1性能不好的问题才出现的。当初Google为了提高HTTP性能，做出了SPDY，它就是HTTP/2的前身，后来也发展成为HTTP/2的标准。

HTTP/2兼容HTTP 1.1，例如HTTP Method，Status code，URI以及大部分Header Fields。

HTTP/2通过以下方法减少latency，用来改进页面加载的速度，

HTTP Header的压缩，采用的是HPack算法。
HTTP/2的Server Push，非常重要的一个特性。
请求的pipeline。
修复在HTTP 1.x的队头阻塞问题。
在单个TCP连接里多工复用请求。

HTTP/2支持HTTP 1.1里的大部分use case，例如桌面浏览器、移动浏览器、Web API、Web Server、代理服务器、反向代理服务器、防火墙和CDN等。

HTTP/2 头部压缩（HPack）

HPack是HTTP/2 里HTTP头压缩的算法，具体可以参看https://tools.ietf.org/html/rfc7541。下面简单介绍一下HPack是如何工作的。

见下图，该图来自Google 的性能专家 Ilya Grigorik 的文章HTTP/2 is here, let's optimize!，它非常直观地描述了 HTTP/2 中头部压缩的原理：

简单说，HTTP头压缩需要在HTTP/2 Client和服务端之间：

维护一份相同的静态表（Static Table），包含常见的头部名称，以及特别常见的头部名称与值的组合；
维护一份相同的动态表（Dynamic Table），可以动态地添加内容；
基于静态哈夫曼码表的哈夫曼编码（Huffman Coding）；

在HTTP头里，有些key:value是固定，例如：

 :method: GET:scheme: http

在编码时，它们直接用一个index编号代替，例如:method:GET是2，这些在一个静态表定义。静态表的定义如下，总共61个Header Name，点击URL https://tools.ietf.org/html/rfc7541#appendix-A查看所有静态表的定义。

Index	Header Name	Header Value
1	:authority
2	:method	GET
3	:method	POST
4	:path	/
5	:path	/index.html
6	:scheme	http
7	:scheme	https
8	:status	200
...	...	...
32	cookie
...	...	...
60	via
61	www-authenticate

使用静态表、动态表、以及Huffman编码可以极大地提升压缩效果。对于静态表里的字段，原来需要N个字符表示的，现在只需要一个索引即可，对于静态、动态表中不存在的内容，还可以使用哈夫曼编码来减小体积。HTTP/2 标准里也给出了一份详细的静态哈夫曼码表（https://tools.ietf.org/html/rfc7541#appendix-B），它们需要内置在客户端和服务端之中。

关于HPack的算法和实现，后面专门抽一篇文章来写。

HTTP/2 ALPN

HTTP/2协议里有个negotiation的机制，让客户端和服务器选择使用HTTP 1.1还是2.0，这个是由ALPN来实现，关于ALPN，可以参看

ALPN（Transport Layer Security (TLS) Application-Layer Protocol Negotiation Extension，https://tools.ietf.org/html/rfc7301。

下面是抓包截图，在TLS里的Client Hello的包里，我们可以看到ALPN里由H2和HTTP/1.1，这就是说客户端支持HTTP2以及HTTP 1.1.

当Server收到后，会识别Client发过来的协议列表，如果不认识就忽略掉。如果认识多个，则选择一个最合适的协议发布给Client。也是在Server Hello里的ALPN返回，见下图。

HTTP/2 Server Push机制

Server Push是HTTP 2最重要的一个特性。

在HTTP 1.1里，在同一个 TCP 连接里面，上一个回应（response）发送完了，服务器才能发送下一个，但在HTTP/2里，可以将多个回应一起发送。

下图是PUSH模式，当请求一个HTML时，如果HTML里有CSS文件，server会一并推给client，而不像在HTTP 1.1下，还需要再发一个CSS的请求。

根据上图，从理论上PUSH模式下性能会好很多。

举个例子解释一下。下面是一个简单的HTML页面，假说是index.html 。

<html>
<head><link rel="stylesheet" href="style.css">
</head>
<body><p>This is a sample to illustrate how HTTP/2 works</p><img src="example.png">
</body>
</html>

这里有三个文件需要处理：该HTML页面、CSS文件style.css以及图片example.png。在HTTP 1.1里为了处理这三个文件，Client需要发三个请求给Server。

首先，发送一个请求index.html,

GET /index.html HTTP/1.1

Client解析该HTML文件，继而知道有2个style.css和example.png资源文件下载。

Client继续发送2个请求下载他们。

GET /style.css  HTTP/1.1

以及

GET /example.png  HTTP/1.1

一般为了解决这两个问题，像CSS文件，可以把CSS code直接放在HTML里，也可以把example.png转化为base64 code嵌入在HTML里，以上只是把外部资源文件合并到HTML里。

除了上述方法，还有一个优化的方法，就是Preload（预加载），可以参看这里，https://w3c.github.io/preload/。

所以我们可以把HTML代码改成如下：

<link rel="preload" href="/styles.css" as="style">
<link rel="preload" href="/example.png" as="image">

那Preload是什么意思呢？就是说下载前一个页面时，可以把相关的资源文件预先加载好，这样感觉起来会快一些。但是有一个关键问题需要注意，即便是预加载的情况下，也不能减少HTTP请求次数。

针对上面的问题，我们引出服务器推送（server push）。根据上面的图，我们可以看出，Server还没有收到Client的请求，就把各种资源推送给Client。

拿上面例子继续举例，当Client只请求index.html，但是Server把index.html、style.css、example.png全部发送给浏览器。这样只需要一轮 HTTP 通信，Client就得到了全部资源。

HTTP/2的支持

现在主流的软件都支持HTTP/2.

浏览器

基本上大部分浏览器在2015年底都支持HTTP/2了，包括Chrome、Opera、Firefox、IE 11、Safari，Edge。

在Chrome上，可以下载插件HTTP Indicator，判断访问的网站是否支持HTTP/2.

也可以打开Chrome的开发者工具，打开Network tab，可以看到Protocol为h2的就是HTTP/2请求。如果Initiator为push的，说明开启了Server Push模式。

常用Server软件：

Apache HTTPd，从版本2.4.12开始支持，通过模块mod_h2来支撑。
Apache Tomcat，从版本8.5开始支持。
Jetty从9.3开始支持。
Netty从4.1开始。
IIS在Win10和WIndows Server 2016支持。
Ngnix从1.9.5开始支持HTTP2，但Server Push功能则在1.13.9才开始。

硬件：

Ctrix NetScaler从11.x开始支持
F5 BIG-IP从11.6开始。

CDN/Cloud：

Akamai
AWS
Azure
Aliyun
Tecent Cloud

缓存问题

如果开启了Server Push模式，我们很容易意识到一个问题，那就是缓存问题。Server见到HTML页面就把外部资源push给Client，如果没有缓存，其实很浪费。为了解决这个问题，可以在第一次请求时push，后面的请求都不push了。

服务器推送有一个很麻烦的问题。所要推送的资源文件，如果浏览器已经有缓存，推送就是浪费带宽。即使推送的文件版本更新，浏览器也会优先使用本地缓存。下面是 Nginx 官方给出的示例，根据 Cookie 判断是否为第一次访问（https://www.nginx.com/blog/nginx-1-13-9-http2-server-push/）。

server {listen 443 ssl http2 default_server;ssl_certificate ssl/certificate.pem;ssl_certificate_key ssl/key.pem;root /var/www/html;http2_push_preload on;location = /demo.html {add_header Set-Cookie "session=1";add_header Link $resources;}
}map $http_cookie $resources {"~*session=1" "";default "</style.css>; as=style; rel=preload, </image1.jpg>; as=image; rel=preload, </image2.jpg>; as=image; rel=preload";

HTTP/2的性能

有人专门做过测试，https://www.smashingmagazine.com/2017/04/guide-http2-server-push/#measuring-server-push-performance，借用该文的一张图片，

可以看出，启用HTTP/2后性能并未大幅度提升，所以在使用HTTP/2还是谨慎一些，如果使用不当，反而会使性能下降。

另外，Ngnix专门撰文描述7个提高HTTP/2的技巧https://www.nginx.com/blog/7-tips-for-faster-http2-performance/ 。

参考文章：

https://en.wikipedia.org/wiki/HTTP/2
https://tools.ietf.org/html/rfc7301
https://tools.ietf.org/html/rfc7541 （HPack）
http://www.ruanyifeng.com/blog/2018/03/http2_server_push.html
https://www.nginx.com/blog/nginx-1-13-9-http2-server-push/
https://www.smashingmagazine.com/2017/04/guide-http2-server-push/#measuring-server-push-performance
https://www.nginx.com/blog/7-tips-for-faster-http2-performance/
https://w3c.github.io/preload/
http://velocityconf.com/devops-web-performance-2015/public/schedule/detail/42385