[Cloud Networking] SPDY 协议

1. 背景

TCP是通用的、可靠的传输协议，提供保证交付、重复抑制、按顺序交付、流量控制、拥塞避免和其他传输特性。
HTTP是提供基本请求/响应语义的应用层协议。

不幸的是，HTTP并不是特别为延迟设计的。比如我们要访问一个网站，当我们浏览器输入网址例如 www.baidu.com 回车之后，浏览器需要请求多个资源，然后再渲染展示。

HTTP要求每个资源就要创建一个HTTP请求，即使使用HTTP管道，仍然需要按照FIFO队列来执行，服务器延迟又阻止了TCP通道的请求重用。最终只能让浏览器通过使用多个连接来解决这个问题。最开始浏览器默认每个域2个连接，后来扩展到6个连接。

在HTTP中，只有客户端可以发起请求，即使服务器知道客户端需要某个资源，它也没有机制通知客户端，必须等待从客户端接收到资源的请求。

此外，HTTP header大小逐渐变大, HTTP header 大小从200字节到2KB不等，随着应用程序使用更多的cookie和代理扩展功能，700-800字节的header大小越来越常见。减少header可以直接改善发送请求的序列化延迟，同时例如 User-Agent \ Host \ Accept 等静态头部其实并不需要在同一通道上反复发送。

此外TCP 的head of line blocking问题，TCP要求数据接收必须是有序的，中间的一次失败就会阻塞后面所有的数据包接收。

基于以上问题，Google开发SPDY协议，旨在通过减少网络延迟来提高Web页面的加载速度。它是一种基于TCP的应用层协议，旨在优化HTTP协议的性能。

SPDY的主要特点包括：

1. 多路复用：允许在一个SPDY连接内有无限个并行请求，这样可以共享一个TCP会话进行多个HTTP请求，从而减少消息交互往返的时间和延迟。
2. 请求优先级：可以设置优先级，选择性地传输更重要的资源，如CSS和JavaScript，然后是其他资源。
3. HTTP头部压缩：删除不必要的头信息，通过压缩减少数据传输所带来的等待时间和带宽。
4. 服务器推送技术：服务器可以主动向客户端发送数据，这种预加载可以使用户一直保持一个快速的网络。

SPDY协议不是用于替代HTTP的协议，而是对HTTP协议的增强。它通过实现多路复用、请求优先级、头部压缩和服务器推送等功能，提高了网页加载速度，同时也减少了延迟。

随着时间的推移，SPDY协议已经成为了HTTP/2的基础，并在多个浏览器和服务器上得到了广泛支持。

2. SPDY 之前

在SPDY协议之前，还有其他协议来解决网络延迟，只是他们大多处在传输层或会话层：

1. Stream Control Transmission Protocol(SCTP) 用于替代TCP的传输层协议，提供多路复用流和流意识的拥塞控制。
2. HTTP over SCTP：一种让HTTP在SCTP上运行的协议
3. Structured Stream Transport (SST)，一种创建“结构化流”的协议，是一种清凉、独立的用于在普通传输层上运行的协议。可以替代TCP或者运行在UDP上。
4. MUX/SMUX，结余传输层和应用层之间的协议，它提供了流的多路复用。

这些都提供了解决一些互联网延迟问题的方法，但由于HTTP中的问题（压缩、优先级等）仍然需要解决，这与底层的传输层协议无关。从实际上讲，改变传输层是非常难以部署的。

3. SPDY 项目目标

SPDY项目定义并实现了一个应用层协议，用于大幅度减少网络的延迟。SPDY的High Level 目标包括：

1. 目标是减少50%的页面加载时间。
2. 最小化部署复杂性。SPDY使用TCP作为底层传输层，因此不需要对现有网络基础设施进行任何更改。
3. 避免需要网站作者对内容进行任何更改。支持SPDY所需的唯一更改是在客户端用户代理和Web服务器应用程序中。
   4,. 聚集志同道合的团体，期望与开源社区和行业专家合作开发这一新协议。

一些具体的技术目标包括：

1. 允许许多并发的HTTP请求在单个TCP会话中运行。
2. 通过压缩头部和消除不必要的头部来减少HTTP当前使用的带宽。
3. 定义一个易于实现且对服务器高效的协议。我们希望通过减少边缘情况和定义易于解析的消息格式来降低HTTP的复杂性。
4. 使SSL成为底层传输协议，以获得更好的安全性和与现有网络基础设施的兼容性。尽管SSL确实引入了延迟后果，但相信网络的长期未来取决于安全的网络连接。此外，使用SSL是必要的，以确保跨现有代理的通信不被破坏，尽可能地使服务器能够启动与客户端的通信并向客户端推送数据。

4. SPDY 功能特点

SPDY 在SSL上添加了一层应用会话层，从而允许多个并发且交织的流在单个TCP上运行，HTTP的标准Get和Post消息保持不变，但是SDPY定义了一个新的编码方式并通过电缆传输这些数据。

流是双向的，既可以被客户端初始化，也可由服务端初始化。

4.1 SPDY基本功能

多路复用流

SDPY 允许无线数量的并发流在单个TCP连接上运行，TCP效率大大提升，需要建立的网络连接减少，也减少需要发送的包的数量。

请求优先级

虽然无限数量的并发流解决了序列化问题，但它们引入了另一个问题：如果通道上的带宽受限，客户端可能会阻止请求，以免塞满通道。
为了克服这个问题，SPDY实现了请求优先级：客户端可以从服务器请求任意数量的资源，并为每个请求分配优先级。
这样可以防止在高优先级请求待处理时，通道被非关键资源所塞满。

HTTP头部压缩

SPDY压缩请求和响应的HTTP头部，导致发送的包较少，传输的字节数也减少。

4.2 SPDY高级功能

SPDY提供了一个高级的功能，即服务器启动的流。
服务器启动的流可以用来向客户端发送内容，而不需要客户端请求。
可以由网页开发者通过以下两种方式配置：

1. 服务器推送

它允许服务器通过X-Associated-Content标头向客户端推送数据。
这个标头告知客户端，服务器正在向客户端推送资源，而客户端还没有请求它。
对于首次下载页面（例如，用户第一次访问网站时），这可以极大地提升用户体验。

2. 服务器提示

相反于自动向客户端推送资源，当服务器知道客户端将需要这些资源时，服务器使用X-Subresources标头向客户端建议它应该请求特定资源。
然而，服务器仍然会等待客户端的请求才发送内容。
在慢链接上，这个选项可以减少客户端发现需要资源所需的时间几百毫秒，并且可能更适合非首次页面加载。