了解 HTTP3.0 吗?简要说一下 HTTP 的一个发展历程?

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一、HTTP 3.0

HTTP3.0,也称作HTTP over QUIC。HTTP3.0的核心是QUIC(读音quick)协议,由Google在 2015年提出的SPDY v3演化而来的新协议,传统的HTTP协议是基于传输层TCP的协议,而QUIC是基于传输层UDP上的协议,可以定义成:HTTP3.0基于UDP的安全可靠的HTTP2.0协议。
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QUIC 协议针对基于TCP和TLS的HTTP2.0协议解决了下面的问题。

1.1 减少了TCP三次握手及TLS握手时间

不管是HTTP1.0/1.1还是HTTPS,HTTP2.0,都使用了TCP进行传输。HTTPS和HTTP2还需要使用TLS协议来进行安全传输。这就出现了两个握手延迟,而基于UDP协议的QUIC,因为UDP本身没有连接的概念,连接建立时只需要一次交互,半个握手的时间。区别如下图:
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1.2 多路复用丢包的线头阻塞问题

QUIC保留了HTTP2.0多路复用的特性,在之前的多路复用过程中,同一个TCP连接上有多个stream,假如其中一个stream丢包,在重传前后的stream都会受到影响,而QUIC中一个连接上的多个stream之间没有依赖。所以当发生丢包时,只会影响当前的stream,也就避免了线头阻塞问题。

1.3 优化重传策略

以往的TCP丢包重传策略是:在发送端为每一个封包标记一个编号(sequence number),接收端在收到封包时,就会回传一个带有对应编号的ACK封包给发送端,告知发送端封包已经确实收到。当发送端在超过一定时间之后还没有收到回传的ACK,就会认为封包已经丢失,启动重新传送的机制,复用与原来相同的编号重新发送一次封包,确保在接收端这边没有任何封包漏接。这样的机制就会带来一些问题,假设发送端总共对同一个封包发送了两次(初始+重传),使用的都是同一个sequence number:编号N。之后发送端在拿到编号N封包的回传ACK时,将无法判断这个带有编号N的ACK,是接收端在收到初始封包后回传的ACK。这就会加大后续的重传计算的耗时。QUIC为了避免这个问题,发送端在传送封包时,初始与重传的每一个封包都改用一个新的编号,unique packet number,每一个编号都唯一而且严格递增,这样每次在收到ACK时,就可以依据编号明确的判断这个ACK是来自初始封包或者是重传封包。

1.4 流量控制

通过流量控制可以限制客户端传输资料量的大小,有了流量控制后,接收端就可以只保留相对应大小的接收 buffer ,优化记忆体被占用的空间。但是如果存在一个流量极慢的stream ,光一个stream就有可能估用掉接收端所有的资源。QUIC为了避免这个潜在的HOL Blocking,采用了连线层(connection flow control)和Stream层的(streamflow control)流量控制,限制单一Stream可以占用的最大buffer size。

1.5 连接迁移

TCP连接基于四元组(源IP、源端口、目的IP、目的端口),切换网络时至少会有一个因素发生变化,导致连接发生变化。当连接发生变化时,如果还使用原来的TCP连接,则会导致连接失败,就得等原来的连接超时后重新建立连接,所以我们有时候发现切换到一个新网络时,即使新网络状况良好,但内容还是需要加载很久。如果实现得好,当检测到网络变化时立刻建立新的TCP连接,即使这样,建立新的连接还是需要几百毫秒的时间。QUIC的连接不受四元组的影响,当这四个元素发生变化时,原连接依然维持。QUIC连接不以四元组作为标识,而是使用一个64位的随机数,这个随机数被称为Connection lD,对应每个stream,即使IP或者端口发生变化,只要Connection ID没有变化,那么连接依然可以维持。

二、HTTP 发展史

2.1 Web始祖 HTTP

HTTP的全称是:超文本传输协议(HyperText TransferProtocol)。

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。

2.2 HTTP与现代化浏览器

早在HTTP建立之初,主要就是为了将超文本标记语言(HTML)文档从WEB服务器传送到客户端的浏览器。也是说对于前端来说,我们所写的 HTML页面将要放在我们的WEB服务器上,用户端通过浏览器访问URL地址来获取网页的显示内容,但是到了WEB2.0以来,我们的页面变得复杂,不仅仅单纯的是一些简单的文字和图片,同时我们的HTML页面有了CSs,JavaScript,来丰富我们的页面展示,当ajax的出现,我们又多了一种向服务器端获取数据的方法,这些其实都是基于HTTP协议的。同样到了移动互联网时代,我们页面可以跑在手机端浏览器里面,但是和PC相比,手机端的网络情况更加复杂,这使得我们开始了不得不对HTTP进行深入理解并不断优化过程中。

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2.3 HTTP 基本优化

  • 带宽
    如果说我们还停留在拨号上网的阶段,带宽可能会成为一个比较严重影响请求的问题,但是现在网络基础建设已经使得带宽得到极大的提升,我们不再会担心由带宽而影响网速,那么就只剩下延迟了。
  • 延迟
    1.浏览器阻塞(HOL blocking):浏览器会因为一些原因阻塞请求。浏览器对于同一个域名,同时只能有4个连接(这个根据浏览器内核不同可能会有所差异),超过浏览器最大连接数限制,后续请求就会被阻塞。
    2.DNS查询(DNS Lookup):浏览器需要知道目标浏览器的IP才能建立连接。将域名解析为IP的这个系统就是DNS。这个通常可以利用DNS缓存结果来达到减少这个时间的目的。
    3.建立连接(Initial connection):HTTP是基于TCP协议的,浏览器最快也要在第三次握手时才能捎带HTTP请求报文,达到真正的建立连接,但是这些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,慢启动则对文件类型请求影响较大。下面为三次握手流程图:
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2.4 HTTP1.0和HTTP1.1的一些区别

HTTP1.0最早在网页中使用是在1996年,那个时候只是使用一些较为简单的网页上和网络请求上,而HTTP1.1则在1999年才开始广泛应用于现在的各大浏览器网络请求中,同时HTTP1.1也是当前使用最为广泛的HTTP协议。

主要区别主要体现在:

  • 缓存处理:在HTTP1.0中主要使用header里的 lf-Modified-Since,Expires来做为缓存判断的标准,HTTP1.1则引入了更多的缓存控制策略例如Entitytag,lf-Unmodified-Since, If-Match, lf-None-Match等更多可供选择的缓存头来控制缓存策略。
  • 带宽优化及网络连接的使用: HTTP1.0中,存在一些浪费带宽的现象,例如客户端只是需要某个对象的一部分,而服务器却将整个对象送过来了,并且不支持断点续传功能,HTTP1.1则在请求头引入了range头域,它允许只请求资源的某个部分,即返回码是206 (Partial Content),这样就方便了开发者自由的选择以便于充分利用带宽和连接。
  • 错误通知的管理:在HTTP1.1中新增了24个错误状态响应码,如409 (Conflict)表示请求的资源与资源的当前状态发生冲突;410 (Gone)表示服务器上的某个资源被永久性的删除。
  • Host头处理:在HTTP1.0中认为每台服务器都绑定一个唯一的IP地址,因此,请求消息中的URL并没有传递主机名(hostname)。但随着虚拟主机技术的发展,在一台物理服务器上可以存在多个虚拟主机(Multi-homed Web Servers),并且它们共享一个IP地址。HTTP1.1的请求消息和响应消息都应支持Host头域,且请求消息中如果没有Host头域会报告一个错误(400 Bad Request) .
  • 长连接: HTTP 1.1支持长连接(PersistentConnection)和请求的流水线(Pipelining)处理,在一个TCP连接上可以传送多个HTTP请求和响应,减少了建立和关闭连接的消耗和延迟,其中长连接也就是对应在HTTP1.1中的Connection: keep-alive,一定程度上弥补了HTTP1.0每次请求都要创建连接的缺点。

2.5 HTTP1.0 和 1.1 现存的一些问题

  • HTTP1.0和HTTP1.1可以称做HTTP1.x,正如上面提到过的,HTTP1.x在传输数据时,每次都需要重新建立连接,无疑增加了大量的延迟时间,特别是在移动端更为突出。
  • 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。
  • HTTP1.x在使用时,header里携带的内容过大,在—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,尤其在移动端会增加用户流量。
  • 虽然HTTP1.1支持了keep-alive,来弥补多次创建连接产生的延迟,但是keep-alive 使用多了同样会给服务端带来大量的性能压力,并且对于单个文件被不断请求的服务(例如图片存放网站),keep-alive可能会极大的影响性能,因为它在文件被请求之后还保持了不必要的连接很长时间。同样keep-alive 也无法解决线头阻塞(Head-of-line blocking, HOL)问题。

2.6 HTTPS登场

为了解决上面的一些问题,网景在1994年创建了HTTPS,并应用在网景导航者浏览器中。最初,HTTPS是SSL一起使用的,在SSL逐渐演变到TLS时(其实两个是一个东西,只是名字不同而已),最新的HTTPS 也由在2000年五月公布的 RFC 2818正式确定下来。简单来说,HTTPS就是安全版的HTTP,并且由于当今时代对安全性要求更高,Chrome和 Firefox都大力支持网站使用HTTPS,苹果也在ioS 10系统中强制APP使用HTTPS来传输数据,由此可见HTTPS 势在必行。

2.7 HTTPS与HTTP的一些区别

  • HTTPS协议需要到CA申请证书,一般免费证书很少,需要交费。
  • HTTP是超文本传输协议,信息是明文传输,HTTPS则是具有安全性的TLS加密传输协议。
  • HTTP和HTTPS使用的是完全不同的连接方式,用的默认端口也不一样,前者是80,后者是443.
  • HTTPS的连接很简单,HTTPS协议是由TLS+HTTP协议构建的 可进行加密传输、身份认证的网络协议,比HTTP协议安全。

2.8 HTTPS改造

如果一个网站要全站由 HTTP 替换成 HTTPS,可能需要关注以下几点:

  • 安装CA证书:一般的证书都是需要收费的,也有免费的。
    1.Let’s Encrypt:免费,快捷,支持多域名,三条命令就可以签署+导出证书。缺点是暂时只有三个月有效期,到期需续签。
    2.Comodo PositiveSSL:收费,但是比较稳定。
  • 配置WEB服务器:在购买证书之后,在证书提供的网站上配置自己的域名,将证书下载下来之后,配置自己的WEB服务器,同时进行代码改造。
  • HTTPS会降低用户访问速度:TLS需要握手,HTTPS 对速度会有一定程度的降低,但是只要经过合理优化和部署,HTTPS 对速度的影响完全可以接受。在很多场景下,HTTPS速度完全不逊于HTTP,如果使用SPDY,HTTPS的速度甚至还要比HTTP快。相对于HTTPS降低访问速度,其实更需要关心的是服务器端的CPU压力,HTTPS中大量的密钥算法计算,会消耗大量的CPU资源,只有足够的优化,HTTPS 的机器成本才不会明显增加。

2.9 使用SPDY提速你的网站

2012年Google一声惊雷提出了 SPDY(发音为"speedy")的方案,大家才开始从正面看待和解决老版本HTTP协议本身的问题,SPDY可以说是综合了HTTPS和HTTP两者优点于—体的传输协议,主要解决:

  • 降低延迟:针对HTTP高延迟的问题,SPDY优雅的采取了多路复用(Multiplexing)。多路复用通过多个请求stream共享一个TCP连接的方式,降低了创建多个TCP的延迟同时提高了带宽的利用率。
  • 请求优先级(Request Prioritization) :多路复用带来一个新的问题是,在连接共享的基础之上有可能会导致关键请求被阻塞。SPDY允许给每个request 设置优先级,这样重要的请求就会优先得到响应。比如浏览器加载首页,首页的html内容应该优先展示,之后才是各种静态资源文件,脚本文件等加载,这样可以保证用户能第一时间看到网页内容。
  • header压缩:前面提到HTTP1.x的header很多时候都是重复多余的,而有些header的内容在不压缩的情况下则比较“庞大”(例如cookie和user-agent等)。选择合适的压缩算法可以减小包的大小和数量,不仅可以节省资源,还可以缩短数据传递的延迟。
  • 基于HTTPS的加密协议传输:保留了HTTPS的TLS加密特性,大大提高了传输数据的可靠性。
  • 服务端推送(Server Push) :采用了SPDY的网页,例如我的网页有一个sytle.css的请求,在客户端收到sytle.css 数据的同时,服务端会将index.js的文件推送给客户端,当客户端再次尝试获取index.js 时就可以直接从缓存中获取到,不用再发请求了。
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    SPDY位于HTTP之下,TCP和SSL之上,这样可以轻松兼容老版本的 HTTP协议(将HTTP1.x的内容封装成一种新的frame格式),同时可以使用已有的SSL功能。

由于SPDY并不是一个标准协议,后来SPDY 也未能单独成为正式标准,不过SPDY开发组的成员全程参与了HTTP2.0的制定过程。SPDY 也有自己的兼容性问题,在HTTP2.0出来之后,大部分浏览器将不在支持。

2.10 HTTP2.0的前世今生

有了HTTP1.x,那么HTTP2.0也就顺理成章的出现了。HTTP2.0可以说是SPDY的升级版(其实原本也是基于SPDY设计的)。但是,HTTP2.0跟SPDY仍有不同的地方,主要是以下两点:

  • HTTP2.0消息头的压缩算法采用HPACK算法,而非SPDY采用的DEFLATE算法。
  • HTTP2.0设计初期支持明文HTTP传输,而SPDY强制使用HTTPS,到后期两者都需要使用HTTPS。

2015年9月,Google宣布了计划,移除对SPDY的支持,拥抱HTTP2.0,并将在Chrome 51中生效。

HTTP2.0新特性

HTTP2.0的特性大部分和SPDY类似,主要有以下4个:

  • 新的二进制格式(Binary Format) :HTTP1.x的解析是基于文本。基于文本协议的格式解析存在天然缺陷,文本的表现形式有多样性,要做到健壮性考虑的场景必然很多,二进制则不同,只认0和1的组合。基于这种考虑HTTP2.0的协议解析决定采用二进制格式,实现方便且健壮。
  • 多路复用(MultiPlexing) :即连接共享,即每一个request都是是用作连接共享机制的。一个request 对应一个id,这样一个连接上可以有多个request,每个连接的request可以随机的混杂在一起,接收方可以根据request的id将request再归属到各自不同的服务端请求里面。多路复用原理和keep alive区别如下图:

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  • header压缩:如上文中所言,对前面提到过HTTP1.x的header带有大量信息,而且每次都要重复发送,HTTP2.0使用encoder来减少需要传输的header大小,通讯双方各自cache一份headerfields表,既避免了重复header的传输,又减小了需要传输的大小。
  • 服务端推送(Server Push) :同SPDY一样,HTTP2.0也具有Server Push 功能。

目前,有大多数网站已经启用HTTP2.0,例如YouTuBe,淘宝网等网站,利用Chrome控制台可以查看是否启用Server Push,如下图:
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2.12 HTTP2.0的升级改造

对比HTTPS的升级改造,HTTP2.0获取会稍微简单一些,你可能需要关注以下问题:

  • 前文说了HTTP2.0需要基于HTTPS的,并且现在主流的浏览器像Chrome,Firefox表示还是只支持基于TLS部署的HTTP2.0协议,所以要想升级成HTTP2.0还是先升级HTTPS为好。
  • 当你的网站已经升级HTTPS之后,那么升级HTTP2.0就简单很多,你需要做的就是将服务器进行升级,如果你使用Nginx,需要在配置文件中启动相应的协议就可以了。
  • 使用了HTTP2.0,那么原本的HTTP1.x 怎么办,这个问题其实不用担心,HTTP2.0完全兼容HTTP1.x的语义,对于不支持HTTP2.0的浏览器,Nginx会自动向下兼容的。

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