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HTTP - HTTP2 & 3

HTTP/1.1的改进和不足

HTTP/1.1 相比 HTTP/1.0 性能上的改进：

  1. 使用长连接的方式改善了 HTTP/1.0 短连接造成的性能开销。
  2. 支持管道（pipeline）网络传输，只要第一个请求发出去了，不必等其回来，就可以发第二个请求出去，可以减少整体的响应时间

HTTP/1.1的不足：

  1. 请求 / 响应头部（Header）纯文本格式，占用较大，首部信息越多延迟越大。
  2. 每次互相发送相同的首部造成的浪费较多；
  3. 服务器是按请求的顺序响应的，如果服务器响应慢，会招致客户端一直请求不到数据，也就是队头阻塞；
  4. 没有请求优先级控制；
  5. 请求只能从客户端开始，服务器只能被动响应。

HTTP/2的优化

HTTP/2 协议是基于 HTTPS 的，所以 HTTP/2 的安全性也是有保障的

HTTP/2 相比 HTTP/1.1 性能上的改进：

  1. 头部压缩
  2. 二进制格式
  3. 并发传输，解决HTTP对头阻塞问题
  4. 服务器主动推送资源

头部压缩

HTTP/2 会压缩头（Header），如果同时发出多个请求，他们的头是一样的或是相似的，那么，协议会帮你消除重复的部分。

这是所谓的 HPACK 算法：在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。

二进制格式

HTTP/2 不再像 HTTP/1.1 里的纯文本形式的报文，而是全面采用了二进制格式，头信息和数据体都是二进制，并且统称为帧（frame）：头信息帧（Headers Frame）和数据帧（Data Frame）。

比如状态码 200 ，在 HTTP/1.1 是用 '2''0''0' 三个字符来表示，共用了 3 个字节。HTTP2只需要用1个字节就能表示

计算机只懂二进制，那么收到报文后，无需再将明文的报文转成二进制，而是直接解析二进制报文，这增加了数据传输的效率。

比如状态码 200 ，在 HTTP/1.1 是用 '2''0''0' 三个字符来表示（二进制：00110010 00110000 00110000），共用了 3 个字节。

在 HTTP/2 对于状态码 200 的二进制编码是 10001000，只用了 1 字节就能表示，相比于 HTTP/1.1 节省了 2 个字节，如下图：

如上图，Header: :status: 200 OK 的编码内容为：1000 1000

  1. 最前面的 1 标识该 Header 是静态表中已经存在的 KV。
  2. 在静态表里，“:status: 200 ok” 静态表编码是 8，二进制即是 1000。

并发传输

同一个连接中，HTTP 完成一个事务（就是一次请求与响应），才能处理下一个事务，也就是说在发出请求等待响应的过程中，是没办法做其他事情的，如果响应迟迟不来，那么后续的请求是无法发送的，也造成了队头阻塞的问题。

所以HTTP/2 引出了 Stream 概念，多个 Stream 复用在一条 TCP 连接。

从上图可以看到，1 个 TCP 连接包含多个 Stream，Stream 里可以包含 1 个或多个 Message，Message 对应 HTTP/1 中的请求或响应，由 HTTP 头部和包体构成。Message 里包含一条或者多个 Frame，Frame 是 HTTP/2 最小单位，以二进制压缩格式存放 HTTP/1 中的内容（头部和包体)。

针对不同的 HTTP 请求用独一无二的 Stream ID 来区分，接收端可以通过 Stream ID 有序组装成 HTTP 消息，不同 Stream 的帧是可以乱序发送的，因此可以并发不同的 Stream ，也就是 HTTP/2 可以并行交错地发送请求和响应。

比如下图，服务端并行交错地发送了两个响应： Stream 1 和 Stream 3，这两个 Stream 都是跑在一个 TCP 连接上，客户端收到后，会根据相同的 Stream ID 有序组装成 HTTP 消息。

服务器推送

HTTP/2，服务端可以主动向客户端发送消息。

客户端和服务器双方都可以建立 Stream， Stream ID 也是有区别的，客户端建立的 Stream 必须是奇数号，而服务器建立的 Stream 必须是偶数号。

比如下图，Stream 1 是客户端向服务端请求的资源，属于客户端建立的 Stream，所以该 Stream 的 ID 是奇数（数字 1）；Stream 2 和 4 都是服务端主动向客户端推送的资源，属于服务端建立的 Stream，所以这两个 Stream 的 ID 是偶数（数字 2 和 4）。

比如，客户端通过 HTTP/1.1 请求从服务器那获取到了 HTML 文件，而 HTML 可能还需要依赖 CSS 来渲染页面，这时客户端还要再发起获取 CSS 文件的请求，需要两次消息往返，如下图左边部分：

如上图右边部分，在 HTTP/2 中，客户端在访问 HTML 时，服务器可以直接主动推送 CSS 文件，减少了消息传递的次数。

HTTP2的不足

HTTP/2 通过 Stream 的并发能力，解决了 HTTP/1 队头阻塞的问题，但是 HTTP/2 还是存在“队头阻塞”的问题，只不过问题不是在 HTTP 这一层面，而是在 TCP 这一层。

HTTP/2 是基于 TCP 协议来传输数据的，TCP 是字节流协议，TCP 层必须保证收到的字节数据是完整且连续的，这样内核才会将缓冲区里的数据返回给 HTTP 应用，那么当「前 1 个字节数据」没有到达时，后收到的字节数据只能存放在内核缓冲区里，只有等到这 1 个字节数据到达时，HTTP/2 应用层才能从内核中拿到数据，这就是 HTTP/2 队头阻塞问题。

HTTP3

为了解决HTTP2中由于TCP造成的队头阻塞问题，HTTP/3 把 HTTP 下层的 TCP 协议改成了 UDP

UDP 是不可靠传输的，UDP 不管顺序，也不管丢包，所以不会出现像 HTTP/2 队头阻塞的问题。 因此HTTP3利用基于 UDP 的 QUIC 协议 可以实现类似 TCP 的可靠性传输。

QUIC 有以下 3 个特点。

  • 无队头阻塞
  • 更快的连接建立
  • 连接迁移

无队头阻塞

QUIC 有自己的一套机制可以保证传输的可靠性的。当某个流发生丢包时，只会阻塞这个流，其他流不会受到影响，因此不存在队头阻塞问题。这与 HTTP/2 不同，HTTP/2 只要某个流中的数据包丢失了，其他流也会因此受影响。

更快的连接建立

对于 HTTP/1 和 HTTP/2 协议，TCP 和 TLS 是分层的，需要分批次来握手，先 TCP 握手，再 TLS 握手。

HTTP/3 在传输数据前虽然需要 QUIC 协议握手，但是这个握手过程只需要 1 RTT，握手的目的是为确认双方的「连接 ID」，连接迁移就是基于连接 ID 实现的。

但是 HTTP/3 的 QUIC 协议并不是与 TLS 分层，而是 QUIC 内部包含了 TLS，它在自己的帧会携带 TLS 里的“记录”，再加上 QUIC 使用的是 TLS/1.3，因此仅需 1 个 RTT 就可以「同时」完成建立连接与密钥协商

连接迁移

基于 TCP 传输协议的 HTTP 协议，由于是通过四元组（源 IP、源端口、目的 IP、目的端口）确定一条 TCP 连接。

当用户移动等导致IP地址变化后，就必须要断开连接，然后重新建立连接。而建立连接的过程包含 TCP 三次握手和 TLS 四次握手的时延。

而 QUIC 协议没有用四元组的方式来“绑定”连接，而是通过连接 ID 来标记通信的两个端点，客户端和服务器可以各自选择一组 ID 来标记自己，因此即使移动设备的网络变化后，导致 IP 地址变化了，只要仍保有上下文信息（比如连接 ID、TLS 密钥等），就可以“无缝”地复用原连接，消除重连的成本，没有丝毫卡顿感，达到了连接迁移的功能。

参考链接

来源：https://www.xiaolincoding.com/ ，Seven进行了部分补充完善

seven97官方微信公众号
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