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HTTP2协议介绍

news 2025/6/28 17:21:20

前言

HTTP是现代互联网通信的基础协议之一，早在1991年，HTTP/0.9版本就诞生了，之后又陆续发布了HTTP/1.0和HTTP/1.1，为互联网应用提供了更高效和可靠的通信方式。
随着时间的推移，互联网的规模和复杂性不断扩大，HTTP/1.1的一些限制也逐渐显现出来，例如串行的请求-响应机制、头部冗余和响应阻塞等。这些问题影响了网页加载速度、性能和用户体验。
为了克服这些挑战并引领下一代Web协议的发展，HTTP2在2015年正式发布。

HTTP2

在HTTP2出现之前，HTTP一直都是一个基于文本的协议，这种协议足够简单、对人类而言具备良好的可读性，但是对于计算机而言，处理的效率就不高了。所以HTTP2在数据传输上做了大刀阔斧的改动，从一个文本协议升级为二进制协议，且带来了很多新特性。

多路复用

多路复用功能是HTTP2最重要的特性之一，它彻底改变了HTTP/1.1中的串行请求-响应模型，允许多个请求和响应同时在一个TCP连接上进行交互。
在HTTP/1.1中，一个TCP连接上同时只能有一个请求-响应，整体是串行的，尽管连接可以复用，但是如果有任何一个请求因为处理过慢或网络原因发生阻塞，就会导致队头阻塞（Head-of-line blocking或缩写为HOL），后续请求除了干等什么也做不了，TCP连接没有得到有效的利用。
为了解决这个问题，HTTP2针对每一个物理连接可以同时打开多个流Stream，消息都是基于Stream去发送的。这使得在同一个TCP连接上，可以并发进行请求-响应，资源得到更有效的利用。

Stream

Stream是逻辑上的概念，一个TCP连接上可以同时打开多个Stream，大多数Web服务的默认配置是可以同时打开100/128个Stream。
每个Stream都有一个唯一的标识符StreamID，用于区分不同的Stream。Stream的开启可以由客户端发起，也可以由服务端开启，为了StreamID不发生冲突，客户端使用奇数递增的方式，服务端使用偶数递增的方式。0号Stream比较特殊，它用来对整个TCP连接进行设置。
每个流都是独立的，有自己的流控设置，包括流的优先级、流的权重等。通过设置流的优先级，可以确保服务器在处理多个流时能够优先处理重要的请求，提高了资源的利用效率。

流量控制

HTTP1.x时代，一个连接上同时只能处理一个请求-响应，流量控制直接依赖于底层TCP协议即可，当一方缓冲区满时就会开始丢包，另一方则会停止发送数据，等待有更大的窗口再继续发送。
对于HTTP2来说，因为有多路复用，TCP的流控就显得不够用了，所以HTTP2有了自己的更精细化的流量控制。
HTTP2的流控采用滑动窗口的设计，连接建立后，双方发送的第一个Frame一定是SETTINGSFrame，用于对连接进行配置，其中一个属性SETTINGS_INITIAL_WINDOW_SIZE用于设置初试窗口大小，默认是65535字节。发送方每次发送数据都会减小窗口大小，当窗口为0时发送方必须停止发送数据，等待对方发送WINDOW_UPDATEFrame调整窗口大小后才能继续发送。
除此之外，还有流优先级控制。每个流都可以分配一个优先级，用于指示请求的重要性。优先级通过整数表示，数值越小表示优先级越高。接收方可以根据优先级来调度处理请求，优先级较高的请求将被优先处理。
通过流量控制机制，HTTP2 能够更好地适应不同网络环境和处理能力，提高传输效率和用户体验。它可以防止发送方过度发送数据导致接收方不堪重负，同时也可以确保优先处理重要请求，提高整体性能。

Frame

HTTP2在消息结构上并没有做太大的改动，对于请求/响应来说，依然有头部和消息体，只是在数据的传输上，HTTP2采用了消息分帧发送的方式。
Frame（帧）是HTTP2通信的最小单位，HTTP2定义了种不同类型的Frame，每个类型都有特定的用途和结构。

Frame类型	描述
DATA	传输实际的数据
HEADERS	传输请求或响应的头部信息
PRIORITY	指定请求的优先级
RST_STREAM	取消或重置一个流
SETTINGS	协商连接参数
PUSH_PROMISE	服务器主动推送资源给客户端
GOAWAY	告知对端连接即将关闭
WINDOW_UPDATE	更新流或连接的窗口大小
CONTINUATION	继续发送大型首部块，用于超过单个HEADERS帧大小限制的情况

Frame的通用结构如下：

+-----------------------------------------------+
|                 Length (24)                   |
+---------------+---------------+---------------+
|   Type (8)    |   Flags (8)   |
+-+-------------+---------------+-------------------------------+
|R|                 Stream Identifier (31)                      |
+=+=============================================================+
|                   Frame Payload (0...)                     ...|
+---------------------------------------------------------------+

字段	长度（位）	描述
Length	24	Frame有效载荷的长度（不包括Frame头的9个字节）
Type	8	Frame的类型
Flags	8	携带关于Frame的额外信息和控制选项
Reserved Bit	1	保留位，未使用
Stream Identifier	31	与Frame相关联的HTTP/2流的标识符（唯一标识一个流）
Payload	可变	根据Frame类型和长度不同，携带不同的信息

为了传输不同的数据，HTTP2定义了不同类型的Frame，不同类型的Frame职责明确，结构清晰，相较于HTTP/1.1使用换行符来区分头部和消息体，Frame显得更加高效且不容易出错。

头部压缩

HTTP/1.1协议中只有消息体支持压缩，头部是不支持压缩的。但现实情况是，对于每一次请求，头部信息有大量重复的数据，例如：Host、Accept、User-Agent等，这些数据几乎每次请求都不会变，但是每次都需要传输给对方，如果能将这些数据压缩传输，可以进一步提高协议的效率。
在HTTP2中，头部终于也支持压缩了，HTTP2中使用的头部压缩算法称为HPACK。HPACK使用了两个重要的机制来减小头部信息的大小：首先，它使用了静态表和动态表来存储常见的头部字段，这些字段只需发送一次，并在整个会话中重复使用；其次，HPACK使用基于差异编码的技术，将头部字段与之前发送的字段进行比较，并只发送增量部分。
静态表是在HTTP/2规范中定义的一个固定的头部字段集合，包含了常见的HTTP头部字段，例如"content-type"、"content-length"等。使用静态表时，只需发送静态表中字段的索引号，而不需要发送完整的字段名称和值。
动态表是根据实际请求和响应中出现的头部字段动态生成的，并在整个会话中进行维护。每当遇到一个新的头部字段时，会将其添加到动态表中，并为其分配一个索引号。当再次遇到相同的头部字段时，只需发送该字段的索引号和增量部分。
头部压缩不仅减小了请求和响应的大小，还显著降低了网络传输延迟和带宽消耗。同时，由于头部压缩是在传输层进行的，应用层的逻辑不需要任何更改，开发人员可以相对轻松地迁移到HTTP2协议。

服务端推送

在HTTP/1.1协议中，请求只能由客户端发起，服务端负责响应请求，服务端没法主动推送资源给客户端。HTTP2开始支持服务端推送了。
服务端推送允许服务器在客户端请求之前将额外的资源主动推送给客户端。这意味着服务器可以预测客户端可能需要的资源并主动发送，而无需等待客户端显式请求。
例如：浏览器请求首页HTML，首页会额外依赖其它的CSS/JS等资源，此时服务端就可以直接推送这些额外的资源，浏览器下次请求时就可以直接从缓存里获取到了，减少了往返时间，提高页面的加载速度。
遗憾的是：目前主流网站对服务端推送的支持并不好，原因是很难精准的提前预测客户端要请求的资源，如果推送了客户端不需要的资源，反而是个负担。

常用的Frame

Frame是HTTP2通信的最小单位，HTTP2定义了种不同类型的Frame，这里介绍几个常见的Frame。

SETTINGS

SETTINGS Frame是客户端和服务端必须发送的第一个Frame。
TCP连接建立完毕后，双方会发送SETTINGS Frame来对连接进行配置。SETTINGS Frame结构如下：

SETTINGS Frame {Length (24),Type (8) = 0x04,Unused Flags (7),ACK Flag (1),Reserved (1),Stream Identifier (31) = 0,Setting (48) ...,
}Setting {Identifier (16),Value (32),
}

前64Bit是通用结构，Payload部分是若干个键值对。一个键值对由48Bit构成，前16Bit是Key，后32Bit是Value。

ID	标志位	默认值	说明
SETTINGS_HEADER_TABLE_SIZE	0x1	4,096	请求头表最大大小，
和HPACK压缩有关
SETTINGS_ENABLE_PUSH	0x2	1	是否允许推送
SETTINGS_MAX_CONCURRENT_STREAMS	0x3	-	允许的最大并发流数
SETTINGS_INITIAL_WINDOW_SIZE	0x4	65,535	初始窗口大小
SETTINGS_MAX_FRAME_SIZE	0x5	16,384	最大Frame大小
SETTINGS_MAX_HEADER_LIST_SIZE	0x6	-	头列表的最大大小

HEADERS

SETTINGS Frame发送完，连接就配置好了。接下来，就可以发起请求了。
HTTP请求从一个HEADERS Frame开始。HEADERS Frame结构如下：

HEADERS Frame {Length (24),Type (8) = 0x01,Unused Flags (2),PRIORITY Flag (1),Unused Flag (1),PADDED Flag (1),END_HEADERS Flag (1),Unused Flag (1),END_STREAM Flag (1),Reserved (1),Stream Identifier (31),[Pad Length (8)],[Exclusive (1)],[Stream Dependency (31)],[Weight (8)],Field Block Fragment (..),Padding (..2040),
}

PADDEDFlag用来设置是否有填充数据，Pad Length代表填充数据长度，Padding是填充数据，全都是0。填充数据没有任何含义，只是出于安全考虑，用来隐藏真实的消息长度。
PRIORITYFlag用来设置资源请求的优先级。
END_HEADERSFlag用来设置当前Frame包含请求的所有头部，后续没有CONTINUATION Frame了。
END_STREAMFlag用来结束流，代表后续没有DATA Frame了。

Tips：如果头部非常大，一个Frame塞不下，HEADERS Frame后面会紧跟一个CONTINUATION Frame，而不是多个HEADERS Frame，这点要注意。

Field Block Fragment部分解码后就是我们常见HTTP头部，如下示例：

:method: GET
:path: /
:scheme: https
:authority: www.taobao.com
accept: */*
accept-encoding: gzip, deflate
user-agent: nghttp2/1.45.1

DATA

在HTTP1协议中，头部和消息体是通过换行符来区分的，到了HTTP2是通过Frame类型区分的。
一般情况下，HEADERS Frame后面跟着的就是DATA Frame了，它用来发送消息体，结构如下：

DATA Frame {Length (24),Type (8) = 0x00,Unused Flags (4),PADDED Flag (1),Unused Flags (2),END_STREAM Flag (1),Reserved (1),Stream Identifier (31),[Pad Length (8)],Data (..),Padding (..2040),
}

DATA Frame极其简单，只有真实数据和填充数据。因为是二进制的，所以你可以用DATA Frame来传输任何格式的数据，可以是HTML、图片、视频、音频等等。

PADDEDFlag：是否包含填充数据。
END_STREAMFlag：流结束，当前Frame是最后一个。

关于其它Frame的定义请参考：https://httpwg.org/specs/rfc9113.html#FrameTypes

前言