HTTP2协议介绍

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