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HTTP/2之服务器推送(Server Push)最佳实践

作者：卢满宇， 腾讯后台开发 工程师
商业转载请联系腾讯WeTest获得授权，非商业转载请注明出处。
原文链接：http://wetest.qq.com/lab/view/355.html

WeTest 导读

HTTP/1.X出色地满足互联网的普遍访问需求，但随着互联网的不断发展，其性能越来越成为瓶颈。IETF在2015年发布了HTTP/2标准, 着重于提高HTTP的访问体验, HTTP2优势主要包括: 二进制传输、头部压缩、多路复用和服务器推送(Server Push)。 截止目前, 大部分CDN厂商已经宣布支持HTTP/2，然而”支持”大多省略了服务器推送(ServerPush)特性。估计这和nginx开源版本没有支持Server Push相关。为提供完备的HTTP2能力，腾讯CDN现已完成HTTP/2的Server Push支持，并完成了详细的性能测试。

序言

在介绍Server Push功能之前，先来分析网站的加载过程。图1是腾讯课堂(https://ke.qq.com/index.html)...。

a) 首先浏览器请求主页面index.html，服务端响应内容；

b) 获取到主页应答，浏览器开始解析主页的html标签，发现构建DOM树还需要CSS, GIF, JS等资源；

c) 发起针对CSS,GIF,JS的内容请求；

d) 获取并解析JS和CSS等内容, 然后继续请求依赖资源。

图1 腾讯课堂域名的时间瀑布图

图2是简化的浏览器和服务器的交互过程，横轴代表时间轴，每个虚线区间是1个RTT。红色竖线表示DOM 加载完成的时间。从图中可知，虽然存在并发传输, 但主页index.html和依赖的资源common.css、0684a8bf.css、comb.nowrap.0b772fee.js等总体上是顺序的，等待资源响应的时间减慢了主页面加载速度。并发传输并不能提高串行解析的资源访问体验。

如果服务端接收到客户端主请求，能够“预测”主请求的依赖资源，在响应主请求的同时，主动并发推送依赖资源至客户端。客户端解析主请求响应后，可以”无延时”从本地缓存获取依赖资源, 减少访问延时, 提高访问体验，也加大了链路的并发能力。Server Push正是基于此原理来提高网络体验。

图3说明了若采用服务端推送的功能，则JS/CSS资源基本可以和HTML资源同步到达，浏览器可以“无延时”获取JS/CSS资源，客户端的延时最多可以减少一个RTT。

构建一个简单的例子来验证我们的说法。图4所示为simple_push.html代码，页面依赖资源simple_push.js和simple_nopush.js, 页面大小均不超过1KB，主要时间消耗在传输延时。如图5所示为推送simple_push.js和不推送simple_nopush.js的效果对比。

图4 推送测试HTML代码

图5 不推送&推送的效果对比

我们上线了一个测试demo网站（https://http1.gtimg.cn/push/m...）。网页上展示一张世界地图，由400个小图片组成。对比三种访问方式：HTTP/1.1、HTTP/2（无Server Push）和 HTTP/2（Server Push）。Server Push选择推送第150~179个共30个小图。访问性能数据对比如图6所示：可以发现预推送比无推送有一定的性能提升（受网络延时和客户端行为影响，结果存在波动，后文有相应分析）。

图6 demo网站测试

简要介绍了Server Push的优化原理之后，伴随而来的疑问，推送什么资源，怎么去推送，以及比其他优化技术有什么优势？读完本章，这些问题将一一得到解答，文章最后用实例展示Server Push的应用场景和性能优化效果。

一、推送实现

1、标识依赖资源

W3C候选推荐标准（https://www.w3.org/TR/preload/）建议了依赖资源的两种做法：文件内标签和HTTP头部携带, 表示该资源后续会被使用, 可以预请求, 关键字preload修饰这个资源, 写法如下：

a) 静态Link标签法:

b) HTTP头表示法：

Link: ; rel=preload; as=style

其中rel表明了资源是预加载的，as表明了资源的文件类型。另外，link还可以用nopush修饰，表示浏览器可能已经有该资源缓存，指示有推送能力的服务端不主动推送资源，只有当浏览器先检查到没有缓存，才去指示服务端推送资源，nopush格式写成：

Link: ; rel=preload; as=script;nopush。

2、推送资源

用户访问CDN，主要包括直接访问的边缘节点, 若干中间节点和客户源站，路径中的每层都可以对请求做分析，预测可能的依赖资源，通过插入静态标签或者增加响应头部返回给浏览器。 CDN的推送主要采用头部携带推送信息。

a) 客户端指定推送资源

客户端通过url或者请求头说明需要的资源url，写法如下：

Url：http://http2push.gtimg.com/si...

或者：

GET /simple_push.html HTTP/1.1

Host: http2push.gtimg.com

User-Agent: curl/7.49.1

Accept: /

X-Push-Url: simple_push.js

b) CDN节点指定推送资源

CDN节点针对请求资源配置推送资源, 基础配置如下:

location ~ “/simple_push.html$” ｛

http2_server_push_url /simple_push.js

｝

c) 源站指定推送资源

通过增加响应头link通知客户端或者CDN节点，后续希望推送的依赖资源，中间具有 推送功能的节点(如CDN节点)可以基于此信息进行资源请求与推送.

3、功能实现

图7所示为CDN的Server Push架构, 基本流程如下:

a) 用户请求到达服务器之后，依赖资源预测模块根据请求头或者配置预测浏览器需要的资源,该推送资源url必须是和主请求是同一host。如果不属于同一host，服务器拒绝推送资源。

b) 服务器通过PUSH_PROMISE桢告诉浏览器准备推送的资源路径，该信息在原主请求流上发送，必须优先主请求响应发送，否则浏览器可能在推送资源到达前已经发起了依赖资源请求，造成重复和浪费.

c) 依赖资源请求模块构造和主请求一样的请求信息，在本地或后端服务器请求推送资源,并主动创建新的HTTP/2请求流，后续服务器就可以发送资源响应，推送资源响应在服务端创建的流上传输，主页面响应在原始流传输。

图7 CDN的Server Push模块改造示意图

CDN节点的推送资源发送顺序在主请求响应之前，如图8所示，主要基于以下因素考量：

d) 推送资源一般是静态的缓存命中率高的资源，如JS、CSS、字体和图片等。这些资源可以从源站预先推送并缓存到CDN节点。相比之下, 主页面变更较多，需要等待网络IO去源站取数据。同时，CDN边缘节点到浏览器的RTT一般是比CDN节点到源站的RTT更短。所以在取到主页面最新响应之前，有充足的时间去推送资源。

e) 资源推送可以探测提高TCP拥塞窗口，窗口逐渐增大，后续可以一次性发送完主页面响应。TCP拥塞窗口对推送影响将在下文第三部分讨论。

f) 在等待主请求响应的网络IO时间期间，推送资源可以是无优先级关系，资源推送优先级对推送影响也将在下文第三部分讨论。

图8 推送时间点位于主页面响应之前

二、Server Push技术对比

1、纵向对比

Server Push相对应没有Server Push的具体提升如下：

a) Nopush加载耗时：Tnopush = RTT+ max(RTT, size(HTML)/BandWidth)+size(JS)/BandWidth

b) push耗时：Tpush = RTT + size(HTML)/BandWidth + size(JS)/BW

c) 改善效率：diff =1 - Tpush/TnoPush

所以决定推送是否有改善性能的衡量因素是size(HTML/BandWidth)和RTT谁大。这里引入BDP(BandWidth-Delay product, 带宽时延乘积)概念。BDP描述了单位时间内该带宽能传输的数据大小。如果size(HTML)

2、横向对比

HTTP/1.1中有个资源内联（Resource Inlining）技术，把资源内容拷贝到HTML标签中。比如说

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