探索HTTP/2

文章目录

    • http/1.1
    • http/2
    • 探索
      • [1. 连接前言](#1. 连接前言)
      • [2. 帧结构](#2. 帧结构)
        • [2.1 帧类型 Type](#2.1 帧类型 Type)
      • [3. 帧详情](#3. 帧详情)
        • [3.1 SETTINGS 帧](#3.1 SETTINGS 帧)
        • [3.2 WINDOW_UPDATE 帧](#3.2 WINDOW_UPDATE 帧)
        • [3.3 PRIORITY 帧](#3.3 PRIORITY 帧)
        • [3.4 HEADERS 帧](#3.4 HEADERS 帧)
        • [3.5 DATA 帧](#3.5 DATA 帧)
        • [3.6 PING](#3.6 PING)
        • [3.7 GOAWAY 帧](#3.7 GOAWAY 帧)
        • [3.8 RST_STREAM 帧](#3.8 RST_STREAM 帧)
        • [3.9 PUSH_PROMISE 帧](#3.9 PUSH_PROMISE 帧)
        • [3.10 CONTINUATION 帧](#3.10 CONTINUATION 帧)

你对http2了解多少? 你愿意在你的项目中使用http2吗?为什么?

http/1.1

从上图可以看到,是一个人在银行排队等待办理一个业务,完成后再去排队办理下一个业务。这就是http/1.1的请求过程。

http/1.1是串行的,也就是说,每个请求都是按顺序进行的,如果前面的请求没有完成,后面的请求就必须等待。

我们无法知道确定之前的顾客在干嘛,可能是在办理业务,也可能是在等待,也可能是在疯狂的聊天直到世界末日。

http/2

从上图可以看到,是一个人在银行办理多个业务,每个业务都是同时进行的。这就是http/2的请求过程。

http/2是并行的,也就是说,每个请求都是同时进行的,不需要等待前面的请求完成。

疑惑

这样高强度的并行请求,会不会导致服务器压力过大?会不会导致服务器崩溃?

其实不会,http/1.1 并没有榨干TCP协议所能提供的性能。

探索

了解http/2的中的一些细节。

1. 连接前言

在 http/2 中,连接成功后,每个端点都需要发送连接序言作为所使用协议的最终确认。

  • 客户端发送 PRI * HTTP/2.0\r\n\r\nSM\r\n\r\n 作为连接序言
  • 服务器端回应 SETTINGS 帧,帧的内容是服务器端的初始设置,包括最大帧大小,最大并发流数等。

需要注意的是,为了避免不必要的延迟,客户端并不会等待服务器端的回应,而是直接发送请求。

2. 帧结构

名称 长度 描述
Length 3 字节 帧负载的长度(取值范围为 214~224-1 字节),使用SETTINGS 帧可以设置更大值
Type 1 字节 帧类型
Flags 1 字节 特定于帧类型的标志
R 1 位 保留位,无需设置
Stream Identifier 31 位 流标识符
Frame Payload 可变长度 帧有效负载,长度在 Length 字段中设置
2.1 帧类型 Type
名称 ID 描述
DATA 0x0 传输流的核心内容
HEADERS 0x1 包含 HTTP 首部,和可选的优先级参数
PRIORITY 0x2 指示或者更改流的优先级和依赖
RST_STREAM 0x3 允许一端停止流(通常由于错误导致的)
SETTINGS 0x4 协商连接级参数
PUSH_PROMISE 0x5 提示客户端,服务器要推送些东西
PING 0x6 测试连接可用性和往返时延(RTT)
GOAWAY 0x7 告诉另一端,当前端已结束
WINDOW_UPDATE 0x8 协商一端将要接收多少字节(用于流量控制)
CONTINUATION 0x9 用以扩展 HEADER 数据块

更详细的内容可以参考:

3. 帧详情

3.1 SETTINGS 帧

在 http/2 中,请求是通过流的方式进行的。

通常,在发送 连接前言 之后,客户端会发送一个 SETTINGS 帧。这个帧包含了客户端的初始设置,包括最大帧大小,最大并发流数等。

  • 帧大小:默认最大值 2^14 字节 (16,384 字节),如果想要更大的帧大小,可以接收方通过 SETTINGS 帧进行设置。最高可以设置为 2^24-1 字节 (16,777,215 字节)。

示例(十六进制):

json 复制代码
00 00 12 04 00 00 00 00 00 00 01 00 01 00 00 00 04 00 02 00 00 00 05 00 00 40 00

这个帧的内容是:

  • 帧长度:18
  • 帧类型:4 (SETTINGS)
  • 标志位:0
  • 流ID:0
  • 帧有效负载:00 01 00 01 00 00 00 04 00 02 00 00 00 05 00 00 40 00

关于R位,是保留位,值为 0。

SETTINGS 帧的有效负载可以设置多个参数,由 16位 类型和 32位 值组成。

复制代码
 +-------------------------------+
 |       Identifier (16)         |
 +-------------------------------+-------------------------------+
 |                        Value (32)                             |
 +---------------------------------------------------------------+
类型 描述
0x1 允许发送方通知远程端点用于解码标头块的标头压缩表的最大大小(以八位位组为单位)。
0x2 此设置可用于禁用服务器推送
0x3 指示发送方允许的并发流的最大数量
0x4 指示发送方用于流级流量控制的初始窗口大小(以八位字节为单位)
0x5 指示发送方愿意接收的最大帧有效负载的大小(以八位位组为单位)。
0x6 此建议设置通知对等方发送方准备接受的标头列表的最大大小(以八位位组为单位)。

`SETTINGS` 帧的流ID一般为0,表示这是一个连接级的设置,而不是针对某个流的设置。

3.2 WINDOW_UPDATE 帧

在 http/2 中,流量控制是通过 WINDOW_UPDATE 帧来进行的。

WINDOW_UPDATE 帧的有效负载是一个 1 位的 R 位,和 31 位的 增加窗口大小

复制代码
 +-+-------------------------------------------------------------+
 |R|              Window Size Increment (31)                     |
 +-+-------------------------------------------------------------+

帧类型是 0x8,表示这是一个 WINDOW_UPDATE 帧。

帧标志位有两种,分别是 流流控窗口和连接流控窗口,如果是流流控窗口,则指示受影响的流,如果是连接流控窗口,流标识符为 0x0

示例(十六进制):

json 复制代码
00 00 04 08 00 00 00 00 00 00 bf 00 01 
3.3 PRIORITY 帧

PRIORITY 帧(帧类型 0x2)用于指示或更改流的优先级和依赖。
使用 `PRIORITY` 帧时,流标识符不能为 `0x0`。

PRIORITY 帧的有效负载是一个 1 位的 E 位,和 31 位的 Stream Dependency,和 8 位的 Weight

复制代码
 +-+-------------------------------------------------------------+
 |E|                  Stream Dependency (31)                     |
 +-+-------------+-----------------------------------------------+
 |   Weight (8)  |
 +-+-------------+
  • E 位:如果为 0,则当前流的依赖关系被视为非独占的,这意味着当前流与依赖于同一流的其他流共享依赖关系。如果为 1,则当前流的依赖被认为是独占的,当前流将独占其依赖流,所有其他原本依赖于那个流的流将改为依赖当前流。
  • Stream Dependency:指示当前流的依赖流的标识符。
  • Weight:指示当前流的权重,取值范围为 1~256

示例(十六进制):

json 复制代码
00 00 05 02 00 00 00 00 07 00 00 00 00 00
3.4 HEADERS 帧

HEADERS 帧(帧类型 0x1)主要用于传输HTTP请求或响应的头部信息。

HEADERS 帧的有效负载:

类型 大小 描述
Pad Length 8 位 用于填充的字节长度(需要有 PADDED 标志)
E 1 位 指示流依赖性是排他(需要有 Priority 标志)
Stream Dependency 31 位 该流所依赖的流的 31 位流标识符(需要有 Priority 标志)
Weight 8 位 用于指示流的权重
Header Block Fragment 可变 用于存放头部信息
Padding 可变 用于填充的字节
复制代码
 +---------------+
 |Pad Length? (8)|
 +-+-------------+-----------------------------------------------+
 |E|                 Stream Dependency? (31)                     |
 +-+-------------+-----------------------------------------------+
 |  Weight? (8)  |
 +-+-------------+-----------------------------------------------+
 |                   Header Block Fragment (*)                 ...
 +---------------------------------------------------------------+
 |                           Padding (*)                       ...
 +---------------------------------------------------------------+

HEADERS 帧标志:

- `END_STREAM (0x1)`:指示这是流的最后一个帧。
- `END_HEADERS (0x4)`:指示这是头部块的最后一个帧。
- `PADDED (0x8)`:指示这个帧包含了填充字段。
- `PRIORITY (0x20)`:指示这个帧包含了优先级信息。

了解这个帧的结构,可以更好的理解http/2的请求过程。这里可以查看hpack压缩算法,了解更多关于头部块的内容。

https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc7541

3.5 DATA 帧

DATA 帧(帧类型 0x0)用于传输流的核心内容。

复制代码
+-------------+ 
 |焊盘长度?(8)| 
 +------------------------++--------------------------------- --------------+ 
 | 数据 (*) ... 
 +---------------------------------------- ------------------+ 
 | 填充 (*) ... 
 +---------------------------------------- ------------------+

DATA 帧的有效负载:

  • Pad Length:用于填充的字节长度(需要有 PADDED 标志)。
  • Data:用于存放数据。数据量是帧有效负载减去存在的其他字段的长度后的剩余部分。
  • Padding:用于填充的字节。(填充设置为 0 )

DATA 帧标志:

  • END_STREAM (0x1):指示这是流的最后一个帧。
  • PADDED (0x8):指示这个帧包含了填充字段。

示例(十六进制):

json 复制代码
00 00 0c 00 01 00 00 00 0f 7b 22 64 61 79 4e 6f 22 3a 33 30 7d     
3.6 PING

PING 帧(帧类型 0x6)用于测试连接的可用性和往返时延(RTT)。

复制代码
 +---------------------------------------------------------------+
 |                                                               |
 |                      Opaque Data (64)                         |
 |                                                               |
 +---------------------------------------------------------------+

PING 帧的有效负载:

  • Opaque Data:用于存放数据。发送者可以包含它选择的任何值并以任何方式使用这些八位字节。

PING 帧标志:

  • ACK (0x1):指示该 PING 帧是 PING 响应。端点必须在 PING 响应中设置此标志。端点不得响应包含此标志的 PING 帧。

流标识符为 `0x0`,表示这是一个连接级的PING帧。否则,视为连接错误。

示例(十六进制):

json 复制代码
00 00 08 06 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
3.7 GOAWAY 帧

GOAWAY 帧(帧类型 0x7)用于告诉另一端,当前端已结束。

复制代码
 +-+-------------------------------------------------------------+
 |R|                  Last-Stream-ID (31)                        |
 +-+-------------------------------------------------------------+
 |                      Error Code (32)                          |
 +---------------------------------------------------------------+
 |                  Additional Debug Data (*)                    |
 +---------------------------------------------------------------+

GOAWAY 帧的有效负载:

  • R:保留位,值为 0
  • Last-Stream-ID:指示发送端认为的最后一个流的标识符。
  • Error Code:用于指示连接关闭的原因。
  • Additional Debug Data:用于存放额外的调试数据。

GOAWAY 帧行为:

  • 发送了GOAWAY帧的一端将忽略所有在GOAWAY帧指定的最后流标识符之后启动的流的帧。
  • 接收GOAWAY帧的一端不应再在该连接上开启新的流,但可以建立新的连接来发起更多的流。
  • 如果接收方在流标识符比GOAWAY帧中指示的更高的流上发送了数据,这些流将不会被处理。接收方可以认为这些流就像从未被创建过一样,并可以在新的连接上重试它们。

示例(十六进制):

json 复制代码
00 00 08 07 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
3.8 RST_STREAM 帧

RST_STREAM 帧(帧类型 0x3)用于允许一端停止流(通常由于错误导致的)。

复制代码
 +---------------------------------------------------------------+
 |                        Error Code (32)                        |
 +---------------------------------------------------------------+

RST_STREAM 帧的有效负载:

  • Error Code:用于指示流关闭的原因。

和`GOAWAY`相比,`GOAWAY`针对整个连接,而 `RST_STREAM` 仅针对单个流。 `RST_STREAM` 帧的流标识符不能为 `0x0`。

示例(十六进制):

json 复制代码
00 00 04 03 00 00 00 00 03 00 00 00 00
3.9 PUSH_PROMISE 帧

PUSH_PROMISE 帧(帧类型 0x5)用于提前通知对等端点发送方打算发起的流。PUSH_PROMISE 帧包括端点计划创建的流的无符号 31 位标识符以及为流提供附加上下文的一组标头。

复制代码
 +---------------+
 |Pad Length? (8)|
 +-+-------------+-----------------------------------------------+
 |R|                  Promised Stream ID (31)                     |
 +-+-------------+-----------------------------------------------+
 |                   Header Block Fragment (*)                 ...
 +---------------------------------------------------------------+
 |                           Padding (*)                       ...
 +---------------------------------------------------------------+

PUSH_PROMISE 帧的有效负载:

  • Pad Length:用于填充的字节长度(需要有 PADDED 标志)。
  • R:保留位,值为 0
  • Promised Stream ID:指示发送方打算创建的流的标识符。
  • Header Block Fragment:用于存放头部信息。
  • Padding:用于填充的字节。

PUSH_PROMISE 帧标志:

- `END_HEADERS (0x4)`:指示这是头部块的最后一个帧。
- `PADDED (0x8)`:指示这个帧包含了填充字段。

示例(十六进制):

json 复制代码
00 00 04 05 04 00 00 00 00 00 00 00 01

PUSH_PROMISE帧允许服务器主动向客户端推送资源,而不需要客户端显式地请求这些资源。这是一种服务器推送技术,旨在减少网页加载时间。通过预先发送客户端将需要的资源,服务器可以显著减少网页完成渲染所需的往返次数(RTTs)。
但是,由于服务器推送可能会导致客户端缓存不一致,因此,服务器推送的资源应该是客户端已经请求过的资源,或者是客户端可能会请求的资源。

3.10 CONTINUATION 帧

CONTINUATION 帧(帧类型 0x9)用于扩展 HEADER 数据块。

复制代码
 +---------------------------------------------------------------+
 |                   Header Block Fragment (*)                 ...
 +---------------------------------------------------------------+

CONTINUATION 帧的有效负载:

  • Header Block Fragment:用于存放头部信息。

CONTINUATION 帧标志:

  • END_HEADERS (0x4):指示这是头部块的最后一个帧。(如果未设置 END_HEADERS 位,则该帧后面必须跟有另一个 CONTINUATION 帧。)
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