HTTP/1、HTTP/2和HTTP/3

发表于 | 分类于 ，

HTTP/1.x

HTTP协议是HyperText Transfer Protocol（超文本传输协议）的缩写，它是互联网上应用最为广泛的一种网络协议。所有的WWW文件都必须遵守这个标准。伴随着计算机网络和浏览器的诞生，HTTP1.0也随之而来，处于计算机网络中的应用层，HTTP是建立在TCP协议之上，所以HTTP协议的瓶颈及其优化技巧都是基于TCP协议本身的特性，例如tcp建立连接的3次握手和断开连接的4次挥手以及每次建立连接带来的RTT延迟时间。

Weakness

连接无法复用

连接无法复用会导致每次请求都经历三次握手和慢启动。三次握手在高延迟的场景下影响较明显，慢启动则对大量小文件请求影响较大（没有达到最大窗口请求就被终止）。

  • HTTP/1.0：传输数据时，每次都需要重新建立连接，增加延迟。
  • HTTP/1.1：虽然加入keep-alive可以复用一部分连接，但域名分片等情况下仍然需要建立多个connection，耗费资源，给服务器带来性能压力。

Head-Of-Line Blocking（HOLB）

导致带宽无法被充分利用，以及后续健康请求被阻塞。HOLB是指一系列包（package）因为第一个包被阻塞；当页面中需要请求很多资源的时候，HOLB（队头阻塞）会导致在达到最大请求数量时，剩余的资源需要等待其他资源请求完成后才能发起请求。

  • HTTP/1.0：下个请求必须在前一个请求返回后才能发出，request-response对按序发生。显然，如果某个请求长时间没有返回，那么接下来的请求就全部阻塞了。
  • HTTP/1.1：尝试使用 pipeling 来解决，即浏览器可以一次性发出多个请求（同个域名，同一条 TCP 链接）。但 pipeling 要求返回是按序的，那么前一个请求如果很耗时（比如处理大图片），那么后面的请求即使服务器已经处理完，仍会等待前面的请求处理完才开始按序返回。所以，pipeling 只部分解决了 HOLB。

协议开销大

HTTP1.x在使用时，header里携带的内容过大，在一定程度上增加了传输的成本，并且每次请求header基本不怎么变化，尤其在移动端增加用户流量。

安全因素

HTTP1.x在传输数据时，所有传输的内容都是明文，客户端和服务器端都无法验证对方的身份，这在一定程度上无法保证数据的安全性。

HTTP/2

2015年，HTTP/2 发布。HTTP/2是现行HTTP协议（HTTP/1.x）的替代，但它不是重写，HTTP方法/状态码/语义都与HTTP/1.x一样。HTTP/2基于SPDY3，专注于性能，最大的一个目标是在用户和网站间只用一个连接（connection）。

HTTP/2由两个规范（Specification）组成：

  • Hypertext Transfer Protocol version 2 - RFC7540
  • HPACK - Header Compression for HTTP/2 - RFC7541

SPDY 协议

因为HTTP/1.x的问题，我们会引入雪碧图、将小图内联、使用多个域名等等的方式来提高性能。不过这些优化都绕开了协议，直到2009年，谷歌公开了自行研发的 SPDY 协议，主要解决HTTP/1.1效率不高的问题。谷歌推出SPDY，才算是正式改造HTTP协议本身。降低延迟，压缩header等等，SPDY的实践证明了这些优化的效果，也最终带来HTTP/2的诞生。

SPDY 协议在Chrome浏览器上证明可行以后，就被当作 HTTP/2 的基础，主要特性都在 HTTP/2 之中得到继承。

New Feature

二进制传输

HTTP/2 采用二进制格式传输数据，而非 HTTP 1.x 的文本格式，二进制协议解析起来更高效。 HTTP/1 的请求和响应报文，都是由起始行，首部和实体正文（可选）组成，各部分之间以文本换行符分隔。HTTP/2 将请求和响应数据分割为更小的帧，并且它们采用二进制编码。

多路复用

在 HTTP/2 中引入了多路复用的技术。多路复用很好的解决了浏览器限制同一个域名下的请求数量的问题，同时也接更容易实现全速传输，毕竟新开一个 TCP 连接都需要慢慢提升传输速度。

在 HTTP/2 中，有了二进制分帧之后，HTTP /2 不再依赖 TCP 链接去实现多流并行了，在 HTTP/2中：

  • 同域名下所有通信都在单个连接上完成。
  • 单个连接可以承载任意数量的双向数据流。
  • 数据流以消息的形式发送，而消息又由一个或多个帧组成，多个帧之间可以乱序发送，因为根据帧首部的流标识可以重新组装。

这一特性，使性能有了极大提升：

  • 同个域名只需要占用一个 TCP 连接，使用一个连接并行发送多个请求和响应，消除了因多个 TCP 连接而带来的延时和内存消耗；
  • 并行交错地发送多个请求，请求之间互不影响；
  • 并行交错地发送多个响应，响应之间互不干扰；
  • 在HTTP/2中，每个请求都可以带一个31bit的优先值，0表示最高优先级，数值越大优先级越低。有了这个优先值，客户端和服务器就可以在处理不同的流时采取不同的策略，以最优的方式发送流、消息和帧。

如上图所示，多路复用的技术可以只通过一个 TCP 连接就可以传输所有的请求数据。

Header 压缩

在 HTTP/1 中，我们使用文本的形式传输 header，在 header 携带 cookie 的情况下，可能每次都需要重复传输几百到几千的字节。

为了减少这块的资源消耗并提升性能， HTTP/2对这些首部采取了压缩策略：

  • HTTP/2在客户端和服务器端使用“首部表”来跟踪和存储之前发送的键－值对，对于相同的数据，不再通过每次请求和响应发送；
  • 首部表在HTTP/2的连接存续期内始终存在，由客户端和服务器共同渐进地更新；
  • 每个新的首部键－值对要么被追加到当前表的末尾，要么替换表中之前的值。

Server Push

Server Push即服务端能通过push的方式将客户端需要的内容预先推送过去，也叫 “cache push”。

可以想象以下情况，某些资源客户端是一定会请求的，这时就可以采取服务端 push 的技术，提前给客户端推送必要的资源，这样就可以相对减少一点延迟时间。当然在浏览器兼容的情况下你也可以使用 prefetch。
例如服务端可以主动把JS和CSS文件推送给客户端，而不需要客户端解析HTML时再发送这些请求。

服务端可以主动推送，客户端也有权利选择是否接收。如果服务端推送的资源已经被浏览器缓存过，浏览器可以通过发送RST_STREAM帧来拒收。主动推送也遵守同源策略，换句话说，服务器不能随便将第三方资源推送给客户端，而必须是经过双方确认才行。

HTTP/3

虽然 HTTP/2 解决了很多之前旧版本的问题，但是它还是存在一个巨大的问题，主要是底层支撑的 TCP 协议造成的。

上面提到 HTTP/2 使用了多路复用，一般来说同一域名下只需要使用一个 TCP 连接。但当这个连接中出现了丢包的情况，那就会导致 HTTP/2 的表现情况反倒不如 HTTP/1 了。因为在出现丢包的情况下，整个 TCP 都要开始等待重传，也就导致了后面的所有数据都被阻塞了。但是对于 HTTP/1.1 来说，可以开启多个 TCP 连接，出现这种情况反到只会影响其中一个连接，剩余的 TCP 连接还可以正常传输数据。

那么可能就会有人考虑到去修改 TCP 协议，其实这已经是一件不可能完成的任务了。因为 TCP 存在的时间实在太长，已经充斥在各种设备中，并且这个协议是由操作系统实现的，更新起来不大现实。

基于这个原因，Google 就更起炉灶搞了一个基于 UDP 协议的 QUIC 协议，并且使用在了 HTTP/3 上，HTTP/3 之前名为 HTTP-over-QUIC，从这个名字中我们也可以发现，HTTP/3 最大的改造就是使用了 QUIC。

QUIC

0-RTT

通过使用类似 TCP 快速打开的技术，缓存当前会话的上下文，在下次恢复会话的时候，只需要将之前的缓存传递给服务端验证通过就可以进行传输了。0-RTT 建连可以说是 QUIC 相比 HTTP2 最大的性能优势。

0RTT 建连的两层含义：

  1. 传输层 0RTT 就能建立连接。
  2. 加密层 0RTT 就能建立加密连接。

上图左边是 HTTPS 的一次完全握手的建连过程，需要3个 RTT。就算是会话复用也需要至少2个 RTT。

QUIC 由于建立在 UDP 的基础上，同时又实现了 0RTT 的安全握手，所以在大部分情况下，只需要 0 个 RTT 就能实现数据发送，在实现前向加密的基础上，并且 0RTT 的成功率相比 TLS 的会话记录单要高很多。

RTT：Round-trip delay time，来回通信延迟。

多路复用

虽然 HTTP/2 支持了多路复用，但是 TCP 协议终究是没有这个功能的。QUIC 原生就实现了这个功能，并且传输的单个数据流可以保证有序交付且不会影响其他的数据流，这样的技术就解决了之前 TCP 存在的问题。

同HTTP2.0一样，同一条 QUIC连接上可以创建多个stream，来发送多个HTTP请求，但是，QUIC是基于UDP的，一个连接上的多个stream之间没有依赖。比如下图中stream2丢了一个UDP包，不会影响后面跟着 Stream3 和 Stream4，不存在 TCP 队头阻塞。虽然stream2的那个包需要重新传，但是stream3、stream4的包无需等待，就可以发给用户。

另外QUIC 在移动端的表现也会比 TCP 好。因为 TCP 是基于 IP 和端口去识别连接的，这种方式在多变的移动端网络环境下是很脆弱的。但是 QUIC 是通过 ID 的方式去识别一个连接，不管你网络环境如何变化，只要 ID 不变，就能迅速重连上。

加密认证的报文

TCP 协议头部没有经过任何加密和认证，所以在传输过程中很容易被中间网络设备篡改，注入和窃听。比如修改序列号、滑动窗口。这些行为有可能是出于性能优化，也有可能是主动攻击。但是 QUIC 的 packet 可以说是武装到了牙齿。除了个别报文比如 PUBLIC_RESET 和 CHLO，所有报文头部都是经过认证的，报文 Body 都是经过加密的。这样只要对 QUIC 报文任何修改，接收端都能够及时发现，有效地降低了安全风险。

向前纠错机制

QUIC协议有一个非常独特的特性，称为向前纠错 (Forward Error Correction，FEC)，每个数据包除了它本身的内容之外，还包括了部分其他数据包的数据，因此少量的丢包可以通过其他包的冗余数据直接组装而无需重传。向前纠错牺牲了每个数据包可以发送数据的上限，但是减少了因为丢包导致的数据重传，因为数据重传将会消耗更多的时间(包括确认数据包丢失、请求重传、等待新数据包等步骤的时间消耗)。

假如说这次我要发送三个包，那么协议会算出这三个包的异或值并单独发出一个校验包，也就是总共发出了四个包。当出现其中的非校验包丢包的情况时，可以通过另外三个包计算出丢失的数据包的内容。当然这种技术只能使用在丢失一个包的情况下，如果出现丢失多个包就不能使用纠错机制了，只能使用重传的方式了。

小结

  • HTTP/1.x 有连接无法复用、队头阻塞、协议开销大和安全因素等多个缺陷；
  • HTTP/2 通过多路复用、二进制流、Header 压缩等等技术，极大地提高了性能，但是还是存在着问题的；
  • QUIC 基于 UDP 实现，是 HTTP/3 中的底层支撑协议，该协议基于 UDP，又取了 TCP 中的精华，实现了即快又可靠的协议。

Reference