探索HTTP/2

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    • http/1.1
    • http/2
      • 疑惑
    • 探索
      • 1. 连接前言
      • 2. 帧结构
        • 2.1 帧类型 Type
      • 3. 帧详情
        • 3.1 SETTINGS 帧
        • 3.2 WINDOW_UPDATE 帧
        • 3.3 PRIORITY 帧
        • 3.4 HEADERS 帧
        • 3.5 DATA 帧
        • 3.6 PING
        • 3.7 GOAWAY 帧
        • 3.8 RST_STREAM 帧
        • 3.9 PUSH_PROMISE 帧
        • 3.10 CONTINUATION 帧

在这里插入图片描述

你对http2了解多少？ 你愿意在你的项目中使用http2吗？为什么？

http/1.1

在这里插入图片描述

从上图可以看到，是一个人在银行排队等待办理一个业务，完成后再去排队办理下一个业务。这就是http/1.1的请求过程。

http/1.1是串行的，也就是说，每个请求都是按顺序进行的，如果前面的请求没有完成，后面的请求就必须等待。

我们无法知道确定之前的顾客在干嘛，可能是在办理业务，也可能是在等待，也可能是在疯狂的聊天直到世界末日。

http/2

在这里插入图片描述

从上图可以看到，是一个人在银行办理多个业务，每个业务都是同时进行的。这就是http/2的请求过程。

http/2是并行的，也就是说，每个请求都是同时进行的，不需要等待前面的请求完成。

疑惑

这样高强度的并行请求，会不会导致服务器压力过大？会不会导致服务器崩溃？

其实不会，http/1.1 并没有榨干TCP协议所能提供的性能。

探索

了解http/2的中的一些细节。

1. 连接前言

在 http/2 中，连接成功后，每个端点都需要发送连接序言作为所使用协议的最终确认。

  • 客户端发送 PRI * HTTP/2.0\r\n\r\nSM\r\n\r\n 作为连接序言
  • 服务器端回应 SETTINGS 帧，帧的内容是服务器端的初始设置，包括最大帧大小，最大并发流数等。

需要注意的是，为了避免不必要的延迟，客户端并不会等待服务器端的回应，而是直接发送请求。

2. 帧结构

在这里插入图片描述

名称长度描述
Length3 字节帧负载的长度（取值范围为 214~224-1 字节）,使用SETTINGS 帧可以设置更大值
Type1 字节帧类型
Flags1 字节特定于帧类型的标志
R1 位保留位，无需设置
Stream Identifier31 位流标识符
Frame Payload可变长度帧有效负载，长度在 Length 字段中设置
2.1 帧类型 Type
名称ID描述
DATA0x0传输流的核心内容
HEADERS0x1包含 HTTP 首部，和可选的优先级参数
PRIORITY0x2指示或者更改流的优先级和依赖
RST_STREAM0x3允许一端停止流（通常由于错误导致的）
SETTINGS0x4协商连接级参数
PUSH_PROMISE0x5提示客户端，服务器要推送些东西
PING0x6测试连接可用性和往返时延（RTT）
GOAWAY0x7告诉另一端，当前端已结束
WINDOW_UPDATE0x8协商一端将要接收多少字节（用于流量控制）
CONTINUATION0x9用以扩展 HEADER 数据块
更详细的内容可以参考：

  • Hypertext Transfer Protocol Version 2 (HTTP/2)

3. 帧详情

3.1 SETTINGS 帧

在 http/2 中，请求是通过流的方式进行的。

通常，在发送 连接前言 之后，客户端会发送一个 SETTINGS 帧。这个帧包含了客户端的初始设置，包括最大帧大小，最大并发流数等。

  • 帧大小：默认最大值 2^14 字节 (16,384 字节)，如果想要更大的帧大小，可以接收方通过 SETTINGS 帧进行设置。最高可以设置为 2^24-1 字节 (16,777,215 字节)。

示例（十六进制）：

00 00 12 04 00 00 00 00 00 00 01 00 01 00 00 00 04 00 02 00 00 00 05 00 00 40 00

这个帧的内容是：

  • 帧长度：18
  • 帧类型：4 (SETTINGS)
  • 标志位：0
  • 流ID：0
  • 帧有效负载：00 01 00 01 00 00 00 04 00 02 00 00 00 05 00 00 40 00



关于R位，是保留位，值为 0。

SETTINGS 帧的有效负载可以设置多个参数，由 16位 类型和 32位 值组成。

 +-------------------------------+|       Identifier (16)         |+-------------------------------+-------------------------------+|                        Value (32)                             |+---------------------------------------------------------------+
类型描述
0x1允许发送方通知远程端点用于解码标头块的标头压缩表的最大大小（以八位位组为单位）。
0x2此设置可用于禁用服务器推送
0x3指示发送方允许的并发流的最大数量
0x4指示发送方用于流级流量控制的初始窗口大小（以八位字节为单位）
0x5指示发送方愿意接收的最大帧有效负载的大小（以八位位组为单位）。
0x6此建议设置通知对等方发送方准备接受的标头列表的最大大小（以八位位组为单位）。
`SETTINGS` 帧的流ID一般为0，表示这是一个连接级的设置，而不是针对某个流的设置。
3.2 WINDOW_UPDATE 帧

在 http/2 中，流量控制是通过 WINDOW_UPDATE 帧来进行的。

WINDOW_UPDATE 帧的有效负载是一个 1 位的 R 位，和 31 位的 增加窗口大小。

 +-+-------------------------------------------------------------+|R|              Window Size Increment (31)                     |+-+-------------------------------------------------------------+

帧类型是 0x8，表示这是一个 WINDOW_UPDATE 帧。

帧标志位有两种，分别是 流流控窗口和连接流控窗口，如果是流流控窗口，则指示受影响的流，如果是连接流控窗口，流标识符为 0x0。

示例（十六进制）：

00 00 04 08 00 00 00 00 00 00 bf 00 01
3.3 PRIORITY 帧

PRIORITY 帧（帧类型 0x2）用于指示或更改流的优先级和依赖。

使用 `PRIORITY` 帧时，流标识符不能为 `0x0`。

PRIORITY 帧的有效负载是一个 1 位的 E 位，和 31 位的 Stream Dependency，和 8 位的 Weight。

 +-+-------------------------------------------------------------+|E|                  Stream Dependency (31)                     |+-+-------------+-----------------------------------------------+|   Weight (8)  |+-+-------------+
  • E 位：如果为 0，则当前流的依赖关系被视为非独占的，这意味着当前流与依赖于同一流的其他流共享依赖关系。如果为 1，则当前流的依赖被认为是独占的，当前流将独占其依赖流，所有其他原本依赖于那个流的流将改为依赖当前流。
  • Stream Dependency：指示当前流的依赖流的标识符。
  • Weight：指示当前流的权重，取值范围为 1~256。

示例（十六进制）：

00 00 05 02 00 00 00 00 07 00 00 00 00 00
3.4 HEADERS 帧

HEADERS 帧（帧类型 0x1）主要用于传输HTTP请求或响应的头部信息。

HEADERS 帧的有效负载：

类型大小描述
Pad Length8 位用于填充的字节长度（需要有 PADDED 标志）
E1 位指示流依赖性是排他（需要有 Priority 标志）
Stream Dependency31 位该流所依赖的流的 31 位流标识符（需要有 Priority 标志）
Weight8 位用于指示流的权重
Header Block Fragment可变用于存放头部信息
Padding可变用于填充的字节
 +---------------+|Pad Length? (8)|+-+-------------+-----------------------------------------------+|E|                 Stream Dependency? (31)                     |+-+-------------+-----------------------------------------------+|  Weight? (8)  |+-+-------------+-----------------------------------------------+|                   Header Block Fragment (*)                 ...+---------------------------------------------------------------+|                           Padding (*)                       ...+---------------------------------------------------------------+

HEADERS 帧标志：

- `END_STREAM (0x1)`：指示这是流的最后一个帧。
- `END_HEADERS (0x4)`：指示这是头部块的最后一个帧。
- `PADDED (0x8)`：指示这个帧包含了填充字段。
- `PRIORITY (0x20)`：指示这个帧包含了优先级信息。
了解这个帧的结构，可以更好的理解http/2的请求过程。这里可以查看hpack压缩算法，了解更多关于头部块的内容。

https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc7541

3.5 DATA 帧

DATA 帧（帧类型 0x0）用于传输流的核心内容。

+-------------+ |焊盘长度？(8)| +------------------------++--------------------------------- --------------+ | 数据 (*) ... +---------------------------------------- ------------------+ | 填充 (*) ... +---------------------------------------- ------------------+

DATA 帧的有效负载：

  • Pad Length：用于填充的字节长度（需要有 PADDED 标志）。
  • Data：用于存放数据。数据量是帧有效负载减去存在的其他字段的长度后的剩余部分。
  • Padding：用于填充的字节。(填充设置为 0 )

DATA 帧标志：

  • END_STREAM (0x1)：指示这是流的最后一个帧。
  • PADDED (0x8)：指示这个帧包含了填充字段。

示例（十六进制）：

00 00 0c 00 01 00 00 00 0f 7b 22 64 61 79 4e 6f 22 3a 33 30 7d
3.6 PING

PING 帧（帧类型 0x6）用于测试连接的可用性和往返时延（RTT）。

 +---------------------------------------------------------------+|                                                               ||                      Opaque Data (64)                         ||                                                               |+---------------------------------------------------------------+

PING 帧的有效负载：

  • Opaque Data：用于存放数据。发送者可以包含它选择的任何值并以任何方式使用这些八位字节。

PING 帧标志：

  • ACK (0x1)：指示该 PING 帧是 PING 响应。端点必须在 PING 响应中设置此标志。端点不得响应包含此标志的 PING 帧。
流标识符为 `0x0`，表示这是一个连接级的PING帧。否则，视为连接错误。

示例（十六进制）：

00 00 08 06 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
3.7 GOAWAY 帧

GOAWAY 帧（帧类型 0x7）用于告诉另一端，当前端已结束。

 +-+-------------------------------------------------------------+|R|                  Last-Stream-ID (31)                        |+-+-------------------------------------------------------------+|                      Error Code (32)                          |+---------------------------------------------------------------+|                  Additional Debug Data (*)                    |+---------------------------------------------------------------+

GOAWAY 帧的有效负载：

  • R：保留位，值为 0。
  • Last-Stream-ID：指示发送端认为的最后一个流的标识符。
  • Error Code：用于指示连接关闭的原因。
  • Additional Debug Data：用于存放额外的调试数据。

GOAWAY 帧行为：

  • 发送了GOAWAY帧的一端将忽略所有在GOAWAY帧指定的最后流标识符之后启动的流的帧。
  • 接收GOAWAY帧的一端不应再在该连接上开启新的流，但可以建立新的连接来发起更多的流。
  • 如果接收方在流标识符比GOAWAY帧中指示的更高的流上发送了数据，这些流将不会被处理。接收方可以认为这些流就像从未被创建过一样，并可以在新的连接上重试它们。

示例（十六进制）：

00 00 08 07 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
3.8 RST_STREAM 帧

RST_STREAM 帧（帧类型 0x3）用于允许一端停止流（通常由于错误导致的）。

 +---------------------------------------------------------------+|                        Error Code (32)                        |+---------------------------------------------------------------+

RST_STREAM 帧的有效负载：

  • Error Code：用于指示流关闭的原因。
和`GOAWAY`相比，`GOAWAY`针对整个连接，而 `RST_STREAM` 仅针对单个流。 `RST_STREAM` 帧的流标识符不能为 `0x0`。

示例（十六进制）：

00 00 04 03 00 00 00 00 03 00 00 00 00
3.9 PUSH_PROMISE 帧

PUSH_PROMISE 帧（帧类型 0x5）用于提前通知对等端点发送方打算发起的流。PUSH_PROMISE 帧包括端点计划创建的流的无符号 31 位标识符以及为流提供附加上下文的一组标头。

 +---------------+|Pad Length? (8)|+-+-------------+-----------------------------------------------+|R|                  Promised Stream ID (31)                     |+-+-------------+-----------------------------------------------+|                   Header Block Fragment (*)                 ...+---------------------------------------------------------------+|                           Padding (*)                       ...+---------------------------------------------------------------+

PUSH_PROMISE 帧的有效负载：

  • Pad Length：用于填充的字节长度（需要有 PADDED 标志）。
  • R：保留位，值为 0。
  • Promised Stream ID：指示发送方打算创建的流的标识符。
  • Header Block Fragment：用于存放头部信息。
  • Padding：用于填充的字节。

PUSH_PROMISE 帧标志：

- `END_HEADERS (0x4)`：指示这是头部块的最后一个帧。
- `PADDED (0x8)`：指示这个帧包含了填充字段。

示例（十六进制）：

00 00 04 05 04 00 00 00 00 00 00 00 01

PUSH_PROMISE帧允许服务器主动向客户端推送资源，而不需要客户端显式地请求这些资源。这是一种服务器推送技术，旨在减少网页加载时间。通过预先发送客户端将需要的资源，服务器可以显著减少网页完成渲染所需的往返次数（RTTs）。

但是，由于服务器推送可能会导致客户端缓存不一致，因此，服务器推送的资源应该是客户端已经请求过的资源，或者是客户端可能会请求的资源。

3.10 CONTINUATION 帧

CONTINUATION 帧（帧类型 0x9）用于扩展 HEADER 数据块。

 +---------------------------------------------------------------+|                   Header Block Fragment (*)                 ...+---------------------------------------------------------------+

CONTINUATION 帧的有效负载：

  • Header Block Fragment：用于存放头部信息。

CONTINUATION 帧标志：

  • END_HEADERS (0x4)：指示这是头部块的最后一个帧。(如果未设置 END_HEADERS 位，则该帧后面必须跟有另一个 CONTINUATION 帧。)

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