溫故知新，HTTP/2
去年年底，據國際互聯網工程任務組( IETF )消息，HTTP-over-QUIC 實驗性協議將被重命名為 HTTP/3，即有望成為 HTTP 協議的第三個正式版本，也就是說HTTP/3可能要來了。 該消息是如此的惹人注目，是因為HTTP是我們身邊的協議，Web應用都離不開它。
溫故知新，梳理一下過往，或許更能夠理解未來。
HTTP1.x的過往
HTTP協議大約誕生在我上大一的時候，好像是HTTP0.9，客戶端請求和服務器響應都是ascii碼，客戶端以回車符結尾，服務器返回HTML。后來的HTTP1.0，服務器響應增加了很多狀態，請求和響應也多了很多的header，響應的內容也不再局限于純文本了。
HTTP是一個應用層協議，由請求和響應構成，是一個標準的客戶端服務器模型，是一個無狀態的協議。HTTP是建立在TCP之上的，每個請求都要經歷三次握手和慢啟動。客戶端是依據域名來向服務器建立連接，一般PC端的瀏覽器支持同域6～8個連接，手機端的連接數則一般控制在4～6個。連接數不是越多越好，資源開銷和整體延遲都會隨之增大。
HTTP 1.1 導致了2000年的互聯網熱潮。HTTP1.1 支持只發送header信息(不帶任何body信息)，如果服務器認為客戶端有權限請求服務器，則返回100，否則返回401。客戶端如果接受到100，才開始把請求body發送到服務器。這樣當服務器返回401的時候，客戶端就可以不用發送請求body了，節約了帶寬。
另外HTTP還支持傳送內容的一部分。這樣當客戶端已經有一部分的資源后，只需要跟服務器請求另外的部分資源即可。RANGE:bytes是HTTP/1.1新增內容，HTTP/1.0每次傳送文件都是從文件頭開始，即0字節處開始。RANGE:bytes=XXX表示要求服務器從文件XXX字節處開始傳送，這大概就是平時所說的斷點續傳。
相關的部分協議標準如下：
現如今，Web應用不再單純是web 網頁，還有支持多設備和多媒體。 一個SPA的應用可能有上百的連接，模塊拆分導致了更多的請求，大部分時間都消耗在網絡上。HTTP 1.x header 往往較大，且無法壓縮。TCP協議利用過低，不可復用連接，連接數限制且協議過于龐大。
HTTP1.x遇到的問題和解決方案
HTTP1.x主要存在連接無法復用和head of line blocking這兩個問題。在***個請求沒有收到回復之前，后續從應用層發出的請求只能排隊。網絡通暢的時候性能影響不大，一旦***個請求沒有抵達服務器，或者response因為網絡阻塞沒有及時返回，就會影響所有后續請求。
HTTP1.0協議頭里可以設置Connection:Keep-Alive。在header里設置Keep-Alive可以在一定時間內復用連接，具體復用時間的長短可以由服務器控制，一般在15秒左右，這與運營商蜂窩網絡的linger time相關。HTTP1.1之后Connection的默認值就是Keep-Alive，如果要關閉連接復用需要顯式的設置Connection:Close。這對PC端瀏覽器的體驗幫助很大，因為大部分的請求在集中在一小段時間以內。但移動app的請求比較分散且時間跨度相對較大，一般會從應用層尋求其它解決方案，長連接方案或者偽長連接方案。
為了解決HTTP連接復用，可以采用長輪詢，HTTP streaming和websocket等方式。
和傳統的HTTP短鏈接相比，長連接輪詢會在用戶增長的時候極大的增加服務器壓力。移動端網絡環境復雜，像wifi和4g的網絡切換等，這些場景都需要考慮重建連接。長輪詢方式穩定性并不好，需要做好數據可靠性的保證，比如重發和ack機制。而且，response有可能會被中間代理cache住，要處理好業務數據的過期機制。
HTTP streaming是通過在server response的頭部里增加"Transfer Encoding: chunked"來告訴客戶端后續還會有新的數據。如果永遠不會結束，客戶端就會一直處于等待response的過程中。代理服務器會等待服務器的response結束之后才會將結果推送到請求客戶端。對于streaming這種業務數據無法按照請求來做分割，所以客戶端每收到一塊數據都需要自己做協議解析。顯然這個數據通道也是單向的，還有個缺陷就是不會產生重復的header數據。
websocket提供雙向的數據通道，優勢在于提供了message的概念，比基于字節流的tcp socket使用更簡單，同時又提供了傳統的HTTP所缺少的長連接功能。但代價相對較高，基于tcp的socket編程技術難度相對復雜很多，而且需要自己制定協議。
HTTP/2 要點
HTTP2.0是以SPDY為原型進行討論和標準化的，采用二進制格式傳輸數據，而非 HTTP/1.x 的文本格式。請求和響應都統一為流，對消息頭采用 HPACK 進行壓縮傳輸，能夠節省消息頭占用的網絡的流量。多路復用，就是所有的請求都是通過一個 TCP 連接并發完成，并支持Server Push和基于優先級的流量控制。
HTTP/2 中的幀
幀(frame)是HTTP2中最小的通信單位，每個幀都會有幀header，每個幀用來承載HTTP header 或負荷數據，或其他特定類型的幀。幀是遵循二進制編碼的。幀格式如下：
length定義了整個幀的長度，type定義幀主要有10種的類型：
flags用位定義了一些重要的參數,stream id用作流控制，而payload才是請求的正文。
雖然協議的格式和HTTP1.x完全不同了，但并沒有改變HTTP1.x的語義，只是把原來HTTP1.x的header和body部分用frame重新封裝了一層而已。調試的時候瀏覽器甚至會把HTTP2.0的frame自動還原成HTTP1.x的格式。HTTP2.0與HTTP1.0的對比如下：
HTTP/2 中的header 壓縮
HTTP1.x的header由于cookie和user agent很容易變得較大，而且每次都要重復發送。HTTP/2使用encoder來減少需要傳輸的header大小，通訊雙方各自cache一份header fields表，既避免了重復header的傳輸，又減小了需要傳輸的大小。高效的壓縮算法可以很大的壓縮header，減少發送包的數量從而降低延遲。
HTTP/2中的HPACK使用一份索引表來定義常用的 HTTP Header,保留原有的header list的順序,通過索引鍵值壓縮。 靜態表中包含了一些預定義的header字段，動態表默認是空的，會在頭部解壓縮的時候確定是否添加entry。客戶端和服務器端使用header表來跟蹤和存儲之前發送的每一個鍵值對。在tcp連接期間，二者共同維護和更新。對于無法用索引替代的字符，有的會采用哈夫曼編碼壓縮。
HTTP/2 中的多路復用
把HTTP 消息分解為獨立的幀，交錯發送，然后在另一端根據Stream ID 重新組裝是HTTP 2.0 最重要的一項增強。每個 Frame Header 都有一個 Stream ID。每次請求/響應使用不同的 Stream ID。通過 Stream ID 標識，所有的請求和響應都可以同時跑在一個TCP 連接上了。 下圖是 HTTP 和 spdy的并發模型對比：
和一般TCP連接釋放一樣，如果客戶端沒有數據要請求，或服務端數據發送完畢后，會主動發送關閉連接的報文。或者是服務端連續發送探測報文，客戶端無響應，服務端就關閉了這個連接。
當流并發時，就會涉及到流的優先級和依賴。優先級高的流會被優先發送。每個HTTP/2流里面可以帶有優先級(31位，0為優先級***)的值，這個值確定著客戶端和服務器處理不同的流采取不同的優先級策略，高優先級的流都應該優先發送。圖片請求的優先級要低于CSS和SCRIPT腳本，這可以確保重要的東西可以被優先加載。，但又不會絕對的，絕對地遵守可能又會引入隊列阻塞的問題：高優先級的請求慢導致阻塞其他資源交付。
從tcp連接和網絡來看，優先級使得網絡擁塞得到改善，慢啟動時間減少，擁塞和丟包恢復速度變快。
HTTP/2 中的Push
Server Push 就是服務器向客戶端推送資源而無需客戶端明確地請求，或者服務器可以對一個客戶端請求發送多個響應。
當服務端需要主動推送某個資源時，便會發送一個 Frame Type 為 PUSH_PROMISE 的 幀，里面帶了 PUSH 需要新建的 Stream ID。客戶端解析 幀時，發現它是一個 PUSH_PROMISE 類型，便會準備接收服務端要推送的流。
HTTP/2連接建立后，客戶端與服務器交換SETTINGS 幀，以此來限定雙向并發流的***數量。因此，客戶端可以限定推送流的數量，或者通過把這個值設置為0，完全禁用服務器推送，而且，所有推送的資源都遵守同源策略。服務器不能隨便將第三方資源推送給客戶端，而必須是經過雙方確認才行。
所有服務器推送流都由PUSH_PROMISE 發起，PUSH_PROMISE 幀必須在返回響應之前發送，以免客戶端出現競態條件。客戶端接收到PUSH_PROMISE 幀之后，可以視自身需求選擇拒絕這個流。
基于HTTP/2的開發
HTTP/2 已經得到了較為廣泛的支持，服務器的支持包括：
- Apache HTTP Server 2.4.17+
- Apache Tomcat 8.5+
- NGINX 1.9.5+
- 面向PHP的Swoole
- 面向Python 的Twisted
- ...
支持HTTP/2的客戶端包括：
- Chromium
- Mozilla Firefox
- curl and libcurl
- OkHTTP (java ，Android)
- 面向Obj-C/swift 的 WKWebView
- ...
客戶端與服務器同時支持HTTP/2的包括：
- Jetty/Netty
- lua-HTTP
- Node.js 8.4.0+
- 面向perl 的 Protocol::HTTP2
- 面向Go 的HTTP2
- ...
支持HTTP/2的代理中介包括：
- HAProxy
- ngHTTP2
- GFE
- ...
詳情可以參考HTTPs://github.com/HTTP2/HTTP2-spec/wiki/Implementations。
調試工具可以使用chrome的瀏覽器以及Wireshark等等。
在開發中使用了HTTP/2 并不是萬事大吉了，在HTTP1.X 中的一些優化還需要繼續使用，例如減少DNS查詢和重定向，CDN的使用，對代碼、圖片等資源的壓縮，對文本開啟GZip，以及使用HTTP的緩存機制(Expires/Cache-Control和Last-Modified / ETag)等等。對于那些可以感知緩存的資源內聯或者Push 消息，可以利用cookie 協助用戶標記。
由于HTTP/2基于單個TCP連接，容易受到 Head of Line Blocking 的影響，從而導致傳輸速度受限，還會受到TCP丟包的影響，所以HTTP/2在資源數量較少的網站可能效果不明顯。TCP協議的升級依賴于操作系統內核的升級，尤其是網絡操作系統的升級往往不可控，因此業界開始重新審視UDP， HTTP/3 所使用的QUIC 就是基于UDP協議的。
HTTP/3 何時才能實施呢?整個互聯網支持HTTP/3 可能還需要一段不短的時間吧!
參考資料：
- 《HTTP 權威指南》
- HTTPs://HTTP2.akamai.com/demo
- HTTP://HTTP2.loadimpact.com/entry/
- RFC 7540 - Hypertext Transfer Protocol Version 2 (HTTP/2)
- RFC 7541 - HPACK: Header Compression for HTTP/2
【本文來自51CTO專欄作者“老曹”的原創文章，作者微信公眾號：喔家ArchiSelf,id:wrieless-com】
