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HTTP/2:如何提升网络速度

HTTP/2.0优化了哪些HTTP/1遗留下的问题,及带来了哪些新的特性

之前的一篇文章HTTP/1中简单介绍了一下HTTP/1.1的发展过程,虽然HTTP/1.1已经做了大量的优化,但依然存在很多性能瓶颈,对于日益增长的需求性能无法满足。

我们知道HTTP/1.1为网络效率做了大量的优化,最核心的大概有如下三种方式:

  1. 增加了持久链接
  2. 浏览器为每个域名最多同时维护6个TCP持久链接
  3. 使用CDN的实现域名分片机制

HTTP/1.1存在的问题

虽然HTTP/1.1采取了很多优化资源加载速度的策略但是HTTP/1.1对宽带的利用率并不理想,原因大概有三:

1. TCP的慢启动。

一旦一个 TCP 连接建立之后,就进入了发送数据状态,刚开始 TCP 协议会采用一个非常慢的速度去发送数据,然后慢慢加快发送数据的速度,直到发送数据的速度达到一个理想状态,我们把这个过程称为慢启动。

之所以说慢启动会带来性能问题,是因为页面中常用的一些关键资源文件本来就不大,如 HTML 文件、CSS 文件和 JavaScript 文件,通常这些文件在 TCP 连接建立好之后就要发起请求的,但这个过程是慢启动,所以耗费的时间比正常的时间要多很多,这样就推迟了宝贵的首次渲染页面的时长了。

2. 同时开启了多条TCP连接,连接会竞争固定的带宽

你可以想象一下,系统同时建立了多条 TCP 连接,当带宽充足时,每条连接发送或者接收速度会慢慢向上增加;而一旦带宽不足时,这些 TCP 连接又会减慢发送或者接收的速度。比如一个页面有 200 个文件,使用了 3 个 CDN,那么加载该网页的时候就需要建立 6 * 3,也就是 18 个 TCP 连接来下载资源;在下载过程中,当发现带宽不足的时候,各个 TCP 连接就需要动态减慢接收数据的速度。

这样就会出现一个问题,因为有的 TCP 连接下载的是一些关键资源,如 CSS 文件、JavaScript 文件等,而有的 TCP 连接下载的是图片、视频等普通的资源文件,但是多条 TCP 连接之间又不能协商让哪些关键资源优先下载,这样就有可能影响那些关键资源的下载速度了。

3. HTTP/1.队头阻塞的问题

HTTP/1.1 中使用持久连接时,虽然能公用一个 TCP 管道,但是在一个管道中同一时刻只能处理一个请求,在当前的请求没有结束之前,其他的请求只能处于阻塞状态。这意味着我们不能随意在一个管道中发送请求和接收内容。

这是一个很严重的问题,因为阻塞请求的因素有很多,并且都是一些不确定性的因素,假如有的请求被阻塞了 5 秒,那么后续排队的请求都要延迟等待 5 秒,在这个等待的过程中,带宽、CPU 都被白白浪费了。

在浏览器处理生成页面的过程中,是非常希望能提前接收到数据的,这样就可以对这些数据做预处理操作,比如提前接收到了图片,那么就可以提前进行编解码操作,等到需要使用该图片的时候,就可以直接给出处理后的数据了,这样能让用户感受到整体速度的提升。但队头阻塞使得这些数据不能并行请求,所以队头阻塞是很不利于浏览器优化的。

HTTP/2带来了哪些优化

HTTP/2的多路复用

HTTP/2 的思路就是一个域名只使用一个 TCP 长连接来传输数据,这样整个页面资源的下载过程只需要一次慢启动,同时也避免了多个 TCP 连接竞争带宽所带来的问题。

另外,就是队头阻塞的问题,等待请求完成后才能去请求下一个资源,这种方式无疑是最慢的,所以 HTTP/2 需要实现资源的并行请求,也就是任何时候都可以将请求发送给服务器,而并不需要等待其他请求的完成,然后服务器也可以随时返回处理好的请求资源给浏览器。

所以,HTTP/2 的解决方案可以总结为: 一个域名只使用一个 TCP 长连接和消除队头阻塞问题 。可以参考下图:

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HTTP/2.0多路复用

该图就是 HTTP/2 最核心、最重要且最具颠覆性的 多路复用机制 。从图中你会发现每个请求都有一个对应的 ID,如 stream1 表示 index.html 的请求,stream2 表示 foo.css 的请求。这样在浏览器端,就可以随时将请求发送给服务器了。

服务器端接收到这些请求后,会根据自己的喜好来决定优先返回哪些内容,比如服务器可能早就缓存好了 index.html 和 bar.js 的响应头信息,那么当接收到请求的时候就可以立即把 index.html 和 bar.js 的响应头信息返回给浏览器,然后再将 index.html 和 bar.js 的响应体数据返回给浏览器。之所以可以随意发送,是因为每份数据都有对应的 ID,浏览器接收到之后,会筛选出相同 ID 的内容,将其拼接为完整的 HTTP 响应数据。

HTTP/2 使用了多路复用技术,可以将请求分成一帧一帧的数据去传输,这样带来了一个额外的好处,就是当收到一个优先级高的请求时,比如接收到 JavaScript 或者 CSS 关键资源的请求,服务器可以暂停之前的请求来优先处理关键资源的请求。

多路复用的实现

现在我们知道为了解决 HTTP/1.1 存在的问题,HTTP/2 采用了多路复用机制,那 HTTP/2 是怎么实现多路复用的呢?你可以先看下面这张图:

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HTTP/2 协议栈

从图中可以看出,HTTP/2 添加了一个 二进制分帧层 ,那我们就结合图来分析下 HTTP/2 的请求和接收过程。

  • 首先,浏览器准备好请求数据,包括了请求行、请求头等信息,如果是 POST 方法,那么还要有请求体。
  • 这些数据经过二进制分帧层处理之后,会被转换为一个个带有请求 ID 编号的帧,通过协议栈将这些帧发送给服务器。
  • 服务器接收到所有帧之后,会将所有相同 ID 的帧合并为一条完整的请求信息。
  • 然后服务器处理该条请求,并将处理的响应行、响应头和响应体分别发送至二进制分帧层。
  • 同样,二进制分帧层会将这些响应数据转换为一个个带有请求 ID 编号的帧,经过协议栈发送给浏览器。
  • 浏览器接收到响应帧之后,会根据 ID 编号将帧的数据提交给对应的请求。

从上面的流程可以看出, 通过引入二进制分帧层,就实现了 HTTP 的多路复用技术

HTTP 是浏览器和服务器通信的语言,在这里虽然 HTTP/2 引入了二进制分帧层,不过 HTTP/2 的语义和 HTTP/1.1 依然是一样的,也就是说它们通信的语言并没有改变,比如开发者依然可以通过 Accept 请求头告诉服务器希望接收到什么类型的文件,依然可以使用 Cookie 来保持登录状态,依然可以使用 Cache 来缓存本地文件,这些都没有变,发生改变的只是传输方式。这一点对开发者来说尤为重要,这意味着我们不需要为 HTTP/2 去重建生态,并且 HTTP/2 推广起来会也相对更轻松了。

HTTP/2 其他特性

1.可以设置请求的优先级

我们知道浏览器中有些数据是非常重要的,但是在发送请求时,重要的请求可能会晚于那些不怎么重要的请求,如果服务器按照请求的顺序来回复数据,那么这个重要的数据就有可能推迟很久才能送达浏览器,这对于用户体验来说是非常不友好的。

为了解决这个问题,HTTP/2 提供了请求优先级,可以在发送请求时,标上该请求的优先级,这样服务器接收到请求之后,会优先处理优先级高的请求。(大体来说都是 HTML > CSS > Blocking Script > Font >= Image >= Async Script)

2.服务器推送

除了设置请求的优先级外,HTTP/2 还可以直接将数据提前推送到浏览器。你可以想象这样一个场景,当用户请求一个 HTML 页面之后,服务器知道该 HTML 页面会引用几个重要的 JavaScript 文件和 CSS 文件,那么在接收到 HTML 请求之后,附带将要使用的 CSS 文件和 JavaScript 文件一并发送给浏览器,这样当浏览器解析完 HTML 文件之后,就能直接拿到需要的 CSS 文件和 JavaScript 文件,这对首次打开页面的速度起到了至关重要的作用。

3.头部压缩

无论是 HTTP/1.1 还是 HTTP/2,它们都有请求头和响应头,这是浏览器和服务器的通信语言。HTTP/2 对请求头和响应头进行了压缩,你可能觉得一个 HTTP 的头文件没有多大,压不压缩可能关系不大,但你这样想一下,在浏览器发送请求的时候,基本上都是发送 HTTP 请求头,很少有请求体的发送,通常情况下页面也有 100 个左右的资源,如果将这 100 个请求头的数据压缩为原来的 20%,那么传输效率肯定能得到大幅提升。