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31 | 时代之风（下）：HTTP/2内核剖析

Nov 14 · 10min

归纳

  1. HTTP/2 必须先发送一个“连接前言”字符串，然后才能建立正式连接；
  2. HTTP/2 废除了起始行，统一使用头字段，在两端维护字段“Key-Value”的索引表，使用“HPACK”算法压缩头部；
  3. HTTP/2 把报文切分为多种类型的二进制帧，报头里最重要的字段是流标识符，标记帧属于哪个流；
  4. 流是 HTTP/2 虚拟的概念，是帧的双向传输序列，相当于 HTTP/1 里的一次“请求 - 应答”；
  5. 在一个 HTTP/2 连接上可以并发多个流，也就是多个“请求 - 响应”报文，这就是“多路复用”。

链接前言

TLS 握手成功之后，客户端必须要发送一个“连接前言”（connection preface），用来确认建立 HTTP/2 连接。

这个“连接前言”是标准的 HTTP/1 请求报文，使用纯文本的 ASCII 码格式，请求方法是特别注册的一个关键字“PRI”，全文只有 24 个字节：


PRI * HTTP/2.0\r\n\r\nSM\r\n\r\n

在 Wireshark 里，HTTP/2 的“连接前言”被称为“Magic”，意思就是“不可知的魔法”。

所以，就不要问“为什么会是这样”了，只要服务器收到这个“有魔力的字符串”，就知道客户端在 TLS 上想要的是 HTTP/2 协议，而不是其他别的协议，后面就会都使用 HTTP/2 的数据格式。

头部压缩

因为语义上它与 HTTP/1 兼容，所以报文还是由“Header+Body”构成的，但在请求发送前，必须要用“HPACK”算法来压缩头部数据。

“HPACK”算法是专门为压缩 HTTP 头部定制的算法，与 gzip、zlib 等压缩算法不同，它是一个“有状态”的算法，需要客户端和服务器各自维护一份“索引表”，也可以说是“字典”（这有点类似 brotli），压缩和解压缩就是查表和更新表的操作。

为了方便管理和压缩，HTTP/2 废除了原有的起始行概念，把起始行里面的请求方法、URI、状态码等统一转换成了头字段的形式，并且给这些“不是头字段的头字段”起了个特别的名字——“伪头字段”（pseudo-header fields）。而起始行里的版本号和错误原因短语因为没什么大用，顺便也给废除了

为了与“真头字段”区分开来，这些“伪头字段”会在名字前加一个“:”，比如“:authority” “:method” “:status”，分别表示的是域名、请求方法和状态码。

现在 HTTP 报文头就简单了，全都是“Key-Value”形式的字段，于是 HTTP/2 就为一些最常用的头字段定义了一个只读的“静态表”（Static Table）。

下面的这个表格列出了“静态表”的一部分，这样只要查表就可以知道字段名和对应的值，比如数字“2”代表“GET”，数字“8”代表状态码 200。

如果找不到怎么办，这就用到我们的动态表，它添加在静态表后面，结构相同，但会在编码解码的时候随时更新。

比如说，第一次发送请求时的“user-agent”字段长是一百多个字节，用哈夫曼压缩编码发送之后，客户端和服务器都更新自己的动态表，添加一个新的索引号“65”。那么下一次发送的时候就不用再重复发那么多字节了，只要用一个字节发送编号就好。

二进制帧

帧开头是 3 个字节的长度（但不包括头的 9 个字节），默认上限是 2^14，最大是 2^24，也就是说 HTTP/2 的帧通常不超过 16K，最大是 16M。

长度后面的一个字节是帧类型，大致可以分成数据帧和控制帧两类，HEADERS 帧和 DATA 帧属于数据帧，存放的是 HTTP 报文，而 SETTINGS、PING、PRIORITY 等则是用来管理流的控制帧。

第 5 个字节是非常重要的帧标志信息，可以保存 8 个标志位，携带简单的控制信息。常用的标志位有 END_HEADERS 表示头数据结束，相当于 HTTP/1 里头后的空行（“\r\n”），END_STREAM 表示单方向数据发送结束（即 EOS，End of Stream），相当于 HTTP/1 里 Chunked 分块结束标志（“0\r\n\r\n”）。

报文头里最后 4 个字节是流标识符，也就是帧所属的“流”，接收方使用它就可以从乱序的帧里识别出具有相同流 ID 的帧序列，按顺序组装起来就实现了虚拟的“流”。

流标识符虽然有 4 个字节，但最高位被保留不用，所以只有 31 位可以使用，也就是说，流标识符的上限是 2^31，大约是 21 亿。

流与多路复用

在 HTTP/2 连接上，虽然帧是乱序收发的，但只要它们都拥有相同的流 ID，就都属于一个流，而且在这个流里帧不是无序的，而是有着严格的先后顺序。

HTTP/2 的流有哪些特点呢？我给你简单列了一下

  1. 流是可并发的，一个 HTTP/2 连接上可以同时发出多个流传输数据，也就是并发多请求，实现“多路复用”；
  2. 客户端和服务器都可以创建流，双方互不干扰；
  3. 流是双向的，一个流里面客户端和服务器都可以发送或接收数据帧，也就是一个“请求 - 应答”来回；
  4. 流之间没有固定关系，彼此独立，但流内部的帧是有严格顺序的；
  5. 流可以设置优先级，让服务器优先处理，比如先传 HTML/CSS，后传图片，优化用户体验；
  6. 流 ID 不能重用，只能顺序递增，客户端发起的 ID 是奇数，服务器端发起的 ID 是偶数；
  7. 在流上发送“RST_STREAM”帧可以随时终止流，取消接收或发送；
  8. 第 0 号流比较特殊，不能关闭，也不能发送数据帧，只能发送控制帧，用于流量控制。

  1. 使用流收发数据，本身就是长连接
  2. 下载的时候，不需要断开链接，只要简单发送RST_STREAM终止就可以了
  3. 因为客户端和服务器两端都可以创建流，而流 ID 有奇数偶数和上限的区分，所以大多数的流 ID 都会是奇数，而且客户端在一个连接里最多只能发出 2^30，也就是 10 亿个请求。
  4. ID 用完了该怎么办呢？这个时候可以再发一个控制帧“GOAWAY”，真正关闭 TCP 连接。

流状态转换

  1. 空闲状态，也就是“不存在”，可以理解成是待分配的“号段资源”。
  2. 当客户端发送 HEADERS 帧后，有了流 ID，流就进入了“打开”状态，两端都可以收发数据，然后客户端发送一个带“END_STREAM”标志位的帧，流就进入了“半关闭”状态。这个“半关闭”状态很重要，意味着客户端的请求数据已经发送完了，需要接受响应数据，而服务器端也知道请求数据接收完毕，之后就要内部处理，再发送响应数据。
  3. 响应数据发完了之后，也要带上“END_STREAM”标志位，表示数据发送完毕，这样流两端就都进入了“关闭”状态，流就结束了。
  4. 刚才也说过，流 ID 不能重用，所以流的生命周期就是 HTTP/1 里的一次完整的“请求 - 应答”，流关闭就是一次通信结束。
  5. 下一次再发请求就要开一个新流（而不是新连接），流 ID 不断增加，直到到达上限，发送“GOAWAY”帧开一个新的 TCP 连接，流 ID 就又可以重头计数。
cd ..
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