网络协议系列文章

网络协议(一)：基本概念、计算机之间的连接方式

网络协议(二)：MAC地址、IP地址、子网掩码、子网和超网

网络协议(三)：路由器原理及数据包传输过程

网络协议(四)：网络分类、ISP、上网方式、公网私网、NAT

网络协议(五)：网络互联模型、物理层、数据链路层

网络协议(六)：网络层（版本、首部长度、区分服务、总长度、 标识、标志、片偏移生存时间、协议、首部校验和）

网络协议(七)：传输层-UDP

网络协议(八)：传输层-TCP（可靠性传输、拥塞控制、建立连接-三次握手、释放连接-四次挥手）

网络协议(九)：应用层（域名、DNS、DHCP）

网络协议(十)：HTTP（报文格式、请求方法、头部字段、状态码、跨域）

网络协议(十一)：单向散列函数、对称加密、非对称加密、混合密码系统、数字签名、证书

网络协议(十二)：HTTPS（SSL/TLS、TLS1.2的连接）

网络协议(十三)：HTTP/1.1的升级改进（HTTP/2、HTTP/3）

目录

• 一、HTTP/1.1协议的不足
• 二、SPDY 协议
• 三、HTTP/2
• • 1、HTTP/2的特性 - 二进制格式
  • 2、HTTP/2基本概念 - 数据流、消息、帧
  • 3、HTTP/2的特性 - 多路复用
  • 4、HTTP/2的特性 - 优先级
  • 5、HTTP/2的特性 - 头部压缩
  • 6、HTTP/2的特性 - 服务器推送
  • 7、HTTP/2的问题 - 队头阻塞
  • 8、HTTP/2的问题 - 握手延迟
• 四、HTTP/3
• • 1、HTTP/3的特性 - 连接迁移
  • 2、HTTP/3的问题 - 操作系统内核、CPU负载
  • 3、HTTP/3的特性 - 向前纠错（还未成为标准）

一、HTTP/1.1协议的不足

• 同一时间，一个连接只能对应一个请求
  • 针对同一个域名，大多数浏览器允许同时最多6个并发连接
• 只允许客户端主动发起请求，一个请求只能对应一个响应
• 同一个会话的多次请求中，头信息会被重复传输
  • 通常会给每个传输增加 500~800 字节的开销
  • 如果使用 Cookie，增加的开销有时会达到上千字节

二、SPDY 协议

• SPDY (speedy的缩写)，是基于TCP的应用层协议，它强制要求使用 SSL/TLS
  • 2009年11月，Google 宣布将 SPDY 作为提高网络速度的内部项目
• SPDY与HTTP的关系
  • SPDY并不用于取代HTTP，它只是修改了HTTP请求与响应的传输方式
  • 只需增加一个SPDY层，现有的所有服务端应用均不用做任何修改

• SPDY是HTTP/2的前身
  • 2015年9月，Google宣布移除对SPDY的支持，拥抱HTTP/2

三、HTTP/2

• HTTP/2，于2015年5月以 RFC 7540 正式发表
  • 根据 W3Techs 的数据，截至2019年6月，全球有36.5%的网站支持了HTTP/2
• 下列两个网站可以进行 HTTP/1.1 和 HTTP/2 速度对比
  • http://www.http2demo.io/
  • https://http2.akamai.com/demo
• HTTP/2在底层传输做了很多的改进和优化，但在语意上完全与 HTTP/1.1 兼容
  • 比如请求方法（如GET、POST）、Status Code、各种Headers等都没有改变
  • 因此，要想升级到 HTTP/2，开发者不需要修改任何代码，只需要升级服务器配置、升级浏览器

1、HTTP/2的特性 - 二进制格式

• HTTP/2 采用二进制格式传输数据，而非HTTP/1.1的文本格式
• 二进制格式在协议的解析和优化扩展上带来更多的优势和可能

2、HTTP/2基本概念 - 数据流、消息、帧

• 数据流：已建立的连接内的双向字节流，可以承载一条或多条消息
  • 所有通信都在一个TCP连接上完成，此连接可以承载任意数量的双向数据流
• 消息：与逻辑HTTP请求或响应消息对应，由一系列帧组成
• 帧：HTTP/2通信的最小单位，每个帧都包含帧头（会标识出当前帧所属的数据流）
  • 来自不同数据流的帧可以交错发送，然后再根据每个帧头的数据流标识符重新组装

3、HTTP/2的特性 - 多路复用

• 客户端和服务器可以将 HTTP消息分解为互不依赖的帧，然后交错发送，最后再在另一端把它们重新组装起来

• 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
• 使用一个连接并行发送多个请求和响应

• 不必再为绕过HTTP/1.1限制而做很多工作
  • 比如精灵图 (image sprites)、合并CSS\JS、内嵌CSS\JS\Base64图片、域名分片等
  • 精灵图：将多张小图合并成一张大图，最后通过CSS结合小图的位置、尺寸进行精准定位

4、HTTP/2的特性 - 优先级

• HTTP/2 标准允许每个数据流都有一个关联的权重和依赖关系
  • 可以向每个数据流分配一个介于1至256之间的整数
  • 每个数据流与其他数据流之间可以存在显式依赖关系
• 客户端可以构建和传递 “优先级树”，表明它倾向于如何接收响应
• 服务器可以使用此信息通过控制CPU、内存和其他资源的分配设定数据流处理的优先级
  • 在资源数据可用之后，确保将高优先级响应以最优方式传输至客户端

5、HTTP/2的特性 - 头部压缩

• 早期版本的 HTTP/2 和 SPDY 使用 zlib 压缩请求头和响应头
  • 可以将所传输头数据的大小减小85%~88%
  • 但在2012年夏天，被攻击导致会话劫持
  • 后被更安全的 HPACK 取代
• 目前，HTTP/2使用 HPACK 压缩请求头和响应头
  • 可以极大减少头部开销，进而提高性能

• 只发送序号

6、HTTP/2的特性 - 服务器推送

• 服务器可以对一个客户端请求发送多个响应
• 除了对最初请求的响应外，服务器还可以向客户端推送额外资源，而无需客户端额外明确地请求

7、HTTP/2的问题 - 队头阻塞

• 后面 HTTP/3 提出的解决方案是 QUIC…

8、HTTP/2的问题 - 握手延迟

• RTT (Round Trip Time)：往返时延，可以简单理解为通信一来一回的时间

四、HTTP/3

• Google 觉得 HTTP/2 仍然不够快，于是就有了 HTTP/3
• HTTP/3由Google开发，弃用TCP协议，改为使用基于UDP协议的QUIC协议实现
• QUIC (Quick UDP Internet Connections)，快速UDP网络连接，由Google在2013年实现
• 于2018年从 HTTP-over-QUIC 改为 HTTP/3

HTTP/3 的一些疑问

• HTTP/3 基于UDP，如何保证可靠传输？
  • 由 QUIC 来保证
• 为何Google不开发一个新的不同于TCP、UDP的传输层协议？
  • 目前世界上的网络设备基本只认TCP、UDP
  • 如果要修改传输层，意味着操作系统的内核也要修改
  • 另外，由IETF标准化的许多TCP新特性都因缺乏广泛支持而没有得到广泛的部署或使用
  • 因此，要想开发并应用一个新的传输层协议，是极其困难的一件事情

1、HTTP/3的特性 - 连接迁移

• TCP基于4要素：源IP、源端口、目标IP、目标端口
  • 切换网络时至少会有一个要素发生变化，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4要素的影响，当4要素发生变化时，原连接依然维持
  • QUIC连接不以4要素作为标识，而是使用一组 Connection ID (连接ID) 来标识一个连接
  • 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

2、HTTP/3的问题 - 操作系统内核、CPU负载

• 据Google和Facebook称，与基于TLS的HTTP/2相比，它们大规模部署的QUIC需要近2倍的CPU使用量
  • Linux内核的UDP部分没有像TCP那样的优化，因为传统上没有使用UDP进行如此高速的信息传输
  • TCP和TLS有硬件加速，而这对于UDP很罕见，对于QUIC则基本不存在

3、HTTP/3的特性 - 向前纠错（还未成为标准）

• 基于TPC协议的话，丢包以后会重传
• HTTP/3的向前纠错，丢包以后可以根据其他包推测出这个包的数据（只适合丢失少量数据）
• 但是目前还没有成为标准，以后是否会成为标准也不确定