标签：HTTP TCP 详解 QUIC 服务器 Http 连接 客户端

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5. 未来

5.1 HTTP/2特性概览

HTTP 有两个主要的缺点：安全不足和性能不高。通过引入 SSL/TLS 在安全上达到了“极致”，但在性能提升方面却是乏善可陈，只优化了握手加密的环节，对于整体的数据传输没有提出更好的改进方案，还只能依赖于“长连接”这种“落后”的技术

所以，在 HTTPS 逐渐成熟之后，HTTP 就向着性能方面开始“发力”，走出了另一条进化的道路。

在HTTP 历史中你也看到了，Google 率先发明了SPDY 协议，并应用于自家的浏览器 Chrome，打响了 HTTP 性能优化的“第一枪”。随后互联网标准化组织 IETF 以 SPDY 为基础，综合其他多方的意见，终于推出了 HTTP/1的继任者，也就是今天的主角“HTTP/2”，在性能方面有了一个大的飞跃。

5.1.1 为什么不是HTTP/2.0

他们认为以前的“1.0”“1.1”造成了很多的混乱和误解，让人在实际的使用中难以区分差异，所以就决定 HTTP 协议不再使用小版本号（minor version），只使用大版本号（major version），从今往后 HTTP 协议不会出现 HTTP/2.0、2.1，只会有“HTTP/2”“HTTP/3”……

5.1.2 兼容HTTP/1

协议的修改必须小心谨慎，兼容性是首要考虑的目标，否则就会破坏互联网上无数现有的资产，这方面TLS 已经有了先例（为了兼容 TLS1.2 不得不进行“伪装”）。

因为必须要保持功能上的兼容，所以 HTTP/2 把 HTTP 分解成了“语义”和“语法”两个部分，“语义”层不做改动，与 HTTP/1 完全一致（即 RFC7231）。比如请求方法、URI、状态码、头字段等概念都保留不变，这样就消除了再学习的成本，基于 HTTP 的上层应用也不需要做任何修改，可以无缝转换到 HTTP/2。

特别要说的是，与 HTTPS 不同，HTTP/2 没有在 URI 里引入新的协议名，仍然用“http”表示明文协议，用“https”表示加密协议。这是一个非常了不起的决定，可以让浏览器或者服务器去自动升级或降级协议，免去了选择的麻烦，让用户在上网的时候都意识不到协议的切换，实现平滑过渡。

在“语义”保持稳定之后，HTTP/2 在“语法”层做了“天翻地覆”的改造，完全变更了HTTP 报文的传输格式。

5.1.3 头部压缩

HTTP/1 里可以用头字段“Content-Encoding”指定Body 的编码方式，比如用 gzip 压缩来节约带宽，但报文的另一个组成部分——Header却被无视了，没有针对它的优化手段。

由于报文 Header 一般会携带“User Agent”“Cookie”“Accept”“Server”等许多固定的头字段，多达几百字节甚至上千字节，但 Body 却经常只有几十字节（比如 GET 请求、204/301/304 响应），成了不折不扣的“大头儿子”。更要命的是，成千上万的请求响应报文里有很多字段值都是重复的，非常浪费，“长尾效应”导致大量带宽消耗在了这些冗余度极高的数据上。

不过 HTTP/2 并没有使用传统的压缩算法，而是开发了专门的“HPACK”算法，在客户端和服务器两端建立“字典”，用索引号表示重复的字符串，还釆用哈夫曼编码来压缩整数和字符串，可以达到 50%~90% 的高压缩率。

5.1.4 二进制格式

你可能已经很习惯于 HTTP/1 里纯文本形式的报文了，它的优点是“一目了然”，用最简单的工具就可以开发调试，非常方便。

但 HTTP/2 在这方面没有“妥协”，决定改变延续了十多年的现状，不再使用肉眼可见的ASCII 码，而是向下层的 TCP/IP 协议“靠拢”，全面采用二进制格式。

这样虽然对人不友好，但却大大方便了计算机的解析。原来使用纯文本的时候容易出现多义性，比如大小写、空白字符、回车换行、多字少字等等，程序在处理时必须用复杂的状态机，效率低，还麻烦。

而二进制里只有“0”和“1”，可以严格规定字段大小、顺序、标志位等格式，“对就是对，错就是错”，解析起来没有歧义，实现简单，而且体积小、速度快，做到“内部提效”。

HTTP/2以二进制格式为基础，把 TCP 协议的部分特性挪到了应用层，把原来的“Header+Body”的消息“打散”为数个小片的二进制“帧”（Frame），用“HEADERS”帧存放头数据、“DATA”帧存放实体数据。

HTTP/2 数据分帧后“Header+Body”的报文结构就完全消失了，协议看到的只是一个个的“碎片”。

5.1.5 虚拟的流

消息的“碎片”到达目的地后应该怎么组装起来，HTTP/2 为此定义了一个“流”（Stream）的概念，它是二进制帧的双向传输序列，同一个消息往返的帧会分配一个唯一的流 ID。你可以把它想象成是一个虚拟的“数据流”，在里面流动的是一串有先后顺序的数据帧，这些数据帧按照次序组装起来就是 HTTP/1 里的请求报文和响应报文。

因为“流”是虚拟的，实际上并不存在，所以 HTTP/2 就可以在一个 TCP 连接上用“流”同时发送多个“碎片化”的消息，这就是常说的“多路复用”（ Multiplexing）——多个往返通信都复用一个连接来处理。

在“流”的层面上看，消息是一些有序的“帧”序列，而在“连接”的层面上看，消息却是乱序收发的“帧”。多个请求 / 响应之间没有了顺序关系，不需要排队等待，也就不会再出现“队头阻塞”问题，降低了延迟，大幅度提高了连接的利用率。

为了更好地利用连接，加大吞吐量，HTTP/2 还添加了一些控制帧来管理虚拟的“流”，实现了优先级和流量控制，这些特性也和 TCP 协议非常相似。

HTTP/2 还在一定程度上改变了传统的“请求 - 应答”工作模式，服务器不再是完全被动地响应请求，也可以新建“流”主动向客户端发送消息。比如，在浏览器刚请求 HTML 的时候就提前把可能会用到的 JS、CSS 文件发给客户端，减少等待的延迟，这被称为“服务器推送”（Server Push，也叫 Cache Push）。

5.1.6 强化安全

出于兼容的考虑，HTTP/2 延续了 HTTP/1 的“明文”特点，可以像以前一样使用明文传输数据，不强制使用加密通信，不过格式还是二进制，只是不需要解密。

但由于 HTTPS 已经是大势所趋，而且主流的浏览器 Chrome、Firefox 等都公开宣布只支持加密的 HTTP/2，所以“事实上”的 HTTP/2 是加密的。也就是说，互联网上通常所能见到的 HTTP/2 都是使用“https”协议名，跑在 TLS 上面。

为了区分“加密”和“明文”这两个不同的版本，HTTP/2 协议定义了两个字符串标识符：“h2”表示加密的 HTTP/2，“h2c”表示明文的 HTTP/2，多出的那个字母“c”的意思是“clear text”。

在 HTTP/2 标准制定的时候（2015 年）已经发现了很多 SSL/TLS 的弱点，而新的 TLS1.3还未发布，所以加密版本的 HTTP/2 在安全方面做了强化，要求下层的通信协议必须是TLS1.2 以上，还要支持前向安全和 SNI，并且把几百个弱密码套件列入了“黑名单”，比如 DES、RC4、CBC、SHA-1 都不能在 HTTP/2 里使用，相当于底层用的是“TLS1.25”。

5.1.7 协议栈

下面的这张图对比了 HTTP/1、HTTPS 和 HTTP/2 的协议栈，你可以清晰地看到，HTTP/2是建立在“HPack”“Stream”“TLS1.2”基础之上的，比 HTTP/1、HTTPS 复杂了一些。

虽然 HTTP/2 的底层实现很复杂，但它的“语义”还是简单的 HTTP/1，之前学习的知识不会过时，仍然能够用得上。

你可能还会注意到 URI 里的一个小变化，端口使用的是“8443”而不是“443”。这是因为 443 端口已经被 HTTPS 协议占用，Nginx 不允许在同一个端口上根据域名选择性开启 HTTP/2，所以就不得不改用了“8443”。

5.2 HTTP/2内核剖析

5.2.1 连接前言

由于 HTTP/2“事实上”是基于 TLS，所以在正式收发数据之前，会有 TCP 握手和 TLS 握手，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”。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。

5.2.2 头部压缩

确立了连接之后，HTTP/2 就开始准备请求报文。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。

但如果表里只有 Key 没有 Value，或者是自定义字段根本找不到该怎么办呢？这就要用到“动态表”（Dynamic Table），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。

随着在 HTTP/2 连接上发送的报文越来越多，两边的“字典”也会越来越丰富，最终每次的头部字段都会变成一两个字节的代码，原来上千字节的头用几十个字节就可以表示了，压缩效果比 gzip 要好得多。

5.2.3 二进制帧

头部数据压缩之后，HTTP/2 就要把报文拆成二进制的帧准备发送。HTTP/2 的帧结构有点类似 TCP 的段或者 TLS 里的记录，但报头很小，只有 9 字节，非常地节省（可以对比一下 TCP 头，它最少是 20 个字节）。

二进制的格式也保证了不会有歧义，而且使用位运算能够非常简单高效地解析。

桢长度：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。

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。HTTP/2 总共定义了 10 种类型的帧，但一个字节可以表示最多 256 种，所以也允许在标准之外定义其他类型实现功能扩展。这就有点像 TLS 里扩展协议的意思了，比如 Google 的gRPC 就利用了这个特点，定义了几种自用的新帧类型。

帧标志：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”）。

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。

好了，把二进制头理清楚后，我们来看一下 Wireshark 抓包的帧实例：

桢长度： 开头的三个字节是“00010a”，表示数据长度是 266 字节。

帧类型： 是 1，表示 HEADERS 帧，负载（payload）里面存放的是被 HPACK 算法压缩的头部信息。

帧标志： 标志位是 0x25，转换成二进制有 3 个位被置 1。PRIORITY 表示设置了流的优先级，END_HEADERS 表示这一个帧就是完整的头数据，END_STREAM 表示单方向数据发送结束，后续再不会有数据帧（即请求报文完毕，不会再有 DATA 帧 /Body 数据）。

流标识符： 是整数 1，表示这是客户端发起的第一个流，后面的响应数据帧也会是这个 ID，也就是说在 stream[1] 里完成这个请求响应。

5.2.4 流与多路复用

弄清楚了帧结构后我们就来看 HTTP/2 的流与多路复用，它是 HTTP/2 最核心的部分。流是二进制帧的双向传输序列。要搞明白流，关键是要理解帧头里的流 ID。

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。

比如在这次的 Wireshark 抓包里，就有“0、1、3”一共三个流，实际上就是分配了三个流 ID 号，把这些帧按编号分组，再排一下队，就成了流。

在概念上，一个 HTTP/2 的流就等同于一个 HTTP/1 里的“请求 - 应答”。在 HTTP/1 里一个“请求 - 响应”报文来回是一次 HTTP 通信，在 HTTP/2 里一个流也承载了相同的功能。

你还可以对照着 TCP 来理解。TCP 运行在 IP 之上，其实从 MAC 层、IP 层的角度来看，TCP 的“连接”概念也是“虚拟”的。但从功能上看，无论是 HTTP/2 的流，还是 TCP 的连接，都是实际存在的，所以你以后大可不必再纠结于流的“虚拟”性，把它当做是一个真实存在的实体来理解就好。

HTTP/2 的流有如下特点：

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。

这里我又画了一张图，把上次的图略改了一下，显示了连接中无序的帧是如何依据流 ID 重组成流的。

从这些特性中，我们还可以推理出一些深层次的知识点。

比如说，HTTP/2 在一个连接上使用多个流收发数据，那么它本身默认就会是长连接，所以永远不需要“Connection”头字段（keepalive 或 close）。

又比如，下载大文件的时候想取消接收，在 HTTP/1 里只能断开 TCP 连接重新“三次握手”，成本很高，而在 HTTP/2 里就可以简单地发送一个“RST_STREAM”中断流，而长连接会继续保持。

再比如，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。

所以就要问了：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。

5.2.5 流状态转换

流很重要，也很复杂。为了更好地描述运行机制，HTTP/2 借鉴了 TCP，根据帧的标志位实现流状态转换。当然，这些状态也是虚拟的，只是为了辅助理解。

HTTP/2 的流也有一个状态转换图，虽然比 TCP 要简单一点，但也不那么好懂，所以今天我只画了一个简化的图，对应到一个标准的 HTTP“请求 - 应答”。

最开始的时候流都是“空闲”（idle）状态，也就是“不存在”，可以理解成是待分配的“号段资源”。

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。

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。

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。

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。

你再看看这张图，是不是和 HTTP/1 里的标准“请求 - 应答”过程很像，只不过这是发生在虚拟的“流”上，而不是实际的 TCP 连接，又因为流可以并发，所以 HTTP/2 就可以实现无阻塞的多路复用。

5.3 HTTP/3

5.3.1 HTTP/2的队头阻塞

HTTP/2 虽然使用“帧”“流”“多路复用”，没有了“队头阻塞”，但这些手段都是在应用层里，而在下层，也就是 TCP 协议里，还是会发生“队头阻塞”。

HTTP/2 把多个“请求 - 响应”分解成流，交给TCP 后，TCP 会再拆成更小的包依次发送（其实在 TCP 里应该叫 segment，也就是“段”）。

在网络良好的情况下，包可以很快送达目的地。但如果网络质量比较差，像手机上网的时候，就有可能会丢包。而 TCP 为了保证可靠传输，有个特别的“丢包重传”机制，丢失的包必须要等待重新传输确认，其他的包即使已经收到了，也只能放在缓冲区里，上层的应用拿不出来，只能“干着急”。

我举个简单的例子：

客户端用 TCP 发送了三个包，但服务器所在的操作系统只收到了后两个包，第一个包丢了。那么内核里的 TCP 协议栈就只能把已经收到的包暂存起来，“停下”等着客户端重传那个丢失的包，这样就又出现了“队头阻塞”。

由于这种“队头阻塞”是 TCP 协议固有的，所以 HTTP/2 即使设计出再多的“花样”也无法解决。Google 在推 SPDY 的时候就已经意识到了这个问题，于是就又发明了一个新的“QUIC”协议，让 HTTP 跑在 QUIC 上而不是 TCP 上。

而这个“HTTP over QUIC”就是 HTTP 协议的下一个大版本，HTTP/3。它在 HTTP/2 的基础上又实现了质的飞跃，真正“完美”地解决了“队头阻塞”问题。

这里先贴一下 HTTP/3 的协议栈图，让你对它有个大概的了解。

5.3.2 QUIC协议

从这张图里，你可以看到 HTTP/3 有一个关键的改变，那就是它把下层的 TCP“抽掉”了，换成了 UDP。因为 UDP 是无序的，包之间没有依赖关系，所以就从根本上解决了“队头阻塞”。

UDP 是一个简单、不可靠的传输协议，只是对 IP 协议的一层很薄的包装，和TCP 相比，它实际应用的较少。不过正是因为它简单，不需要建连和断连，通信成本低，也就非常灵活、高效，“可塑性”很强。

所以，QUIC 就选定了 UDP，在它之上把 TCP 的那一套连接管理、拥塞窗口、流量控制等“搬”了过来，“去其糟粕，取其精华”，打造出了一个全新的可靠传输协议，可以认为是“新时代的 TCP”。

QUIC 最早是由 Google 发明的，被称为 gQUIC。而当前正在由 IETF 标准化的 QUIC 被称为 iQUIC。两者的差异非常大，甚至比当年的 SPDY 与 HTTP/2 的差异还要大。

gQUIC 混合了 UDP、TLS、HTTP，是一个应用层的协议。而 IETF 则对 gQUIC 做了“清理”，把应用部分分离出来，形成了 HTTP/3，原来的 UDP 部分“下放”到了传输层，所以 iQUIC 有时候也叫“QUIC-transport”。

接下来要说的 QUIC 都是指 iQUIC，要记住，它与早期的 gQUIC 不同，是一个传输层的协议，和 TCP 是平级的。

5.3.3 QUIC的特点

QUIC 基于 UDP，而 UDP 是“无连接”的，根本就不需要“握手”和“挥手”，所以天生就要比 TCP 快。

就像 TCP 在 IP 的基础上实现了可靠传输一样，QUIC 也基于 UDP 实现了可靠传输，保证数据一定能够抵达目的地。它还引入了类似 HTTP/2 的“流”和“多路复用”，单个“流”是有序的，可能会因为丢包而阻塞，但其他“流”不会受到影响。

为了防止网络上的中间设备（Middle Box）识别协议的细节，QUIC 全面采用加密通信，可以很好地抵御窜改和“协议僵化”（ossification）。

而且，因为 TLS1.3 已经在2018年正式发布，所以 QUIC 就直接应用了 TLS1.3，顺便也就获得了 0-RTT、1-RTT 连接的好处。

但 QUIC 并不是建立在 TLS 之上，而是内部“包含”了 TLS。它使用自己的帧“接管”了TLS 里的“记录”，握手消息、警报消息都不使用 TLS 记录，直接封装成 QUIC 的帧发送，省掉了一次开销。

5.3.4 QUIC内部细节

由于 QUIC 在协议栈里比较偏底层，所以我只简略介绍两个内部的关键知识点。

QUIC 的基本数据传输单位是包（packet）和帧（frame），一个包由多个帧组成，包面向的是“连接”，帧面向的是“流”。

QUIC 使用不透明的“连接 ID”来标记通信的两个端点，客户端和服务器可以自行选择一组 ID 来标记自己，这样就解除了 TCP 里连接对“IP 地址 + 端口”（即常说的四元组）的强绑定，支持“连接迁移”（Connection Migration）。

比如你下班回家，手机会自动由 4G 切换到 WiFi。这时 IP 地址会发生变化，TCP 就必须重新建立连接。而 QUIC 连接里的两端连接 ID 不会变，所以连接在“逻辑上”没有中断，它就可以在新的 IP 地址上继续使用之前的连接，消除重连的成本，实现连接的无缝迁移。

QUIC 的帧里有多种类型，PING、ACK 等帧用于管理连接，而 STREAM 帧专门用来实现流。

QUIC 里的流与 HTTP/2 的流非常相似，也是帧的序列，你可以对比着来理解。但 HTTP/2里的流都是双向的，而 QUIC 则分为双向流和单向流。

QUIC 帧普遍采用变长编码，最少只要 1 个字节，最多有 8 个字节。流 ID 的最大可用位数是 62，数量上比 HTTP/2 的 2^31 大大增加。

流 ID 还保留了最低两位用作标志，第 1 位标记流的发起者，0 表示客户端，1 表示服务器；第 2 位标记流的方向，0 表示双向流，1 表示单向流。所以 QUIC 流 ID 的奇偶性质和 HTTP/2 刚好相反，客户端的 ID 是偶数，从 0 开始计数。

5.3.5 HTTP/3协议

因为 QUIC 本身就已经支持了加密、流和多路复用，所以 HTTP/3 的工作减轻了很多，把流控制都交给 QUIC 去做。调用的不再是 TLS 的安全接口，也不是 Socket API，而是专门的 QUIC 函数。不过这个“QUIC 函数”还没有形成标准，必须要绑定到某一个具体的实现库。

HTTP/3 里仍然使用流来发送“请求 - 响应”，但它自身不需要像 HTTP/2 那样再去定义流，而是直接使用 QUIC 的流，相当于做了一个“概念映射”。

HTTP/3 里的“双向流”可以完全对应到 HTTP/2 的流，而“单向流”在 HTTP/3 里用来实现控制和推送，近似地对应 HTTP/2 的 0 号流。

由于流管理被“下放”到了 QUIC，所以 HTTP/3 里帧的结构也变简单了。

HTTP/3 里的帧仍然分成数据帧和控制帧两类，HEADERS 帧和 DATA 帧传输数据，但其他一些帧因为在下层的 QUIC 里有了替代，所以在 HTTP/3 里就都消失了，比如RST_STREAM、WINDOW_UPDATE、PING 等。

头部压缩算法在 HTTP/3 里升级成了“QPACK”，使用方式上也做了改变。虽然也分成静态表和动态表，但在流上发送 HEADERS 帧时不能更新字段，只能引用，索引表的更新需要在专门的单向流上发送指令来管理，解决了 HPACK 的“队头阻塞”问题。

另外，QPACK 的字典也做了优化，静态表由之前的 61 个增加到了 98 个，而且序号从 0开始，也就是说“:authority”的编号是 0。

5.3.6 HTTP/3服务发现

HTTP/3 没有指定默认的端口号，也就是说不一定非要在 UDP 的 80 或者 443 上提供 HTTP/3 服务。

这就要用到 HTTP/2 里的“扩展帧”了。浏览器需要先用 HTTP/2 协议连接服务器，然后服务器可以在启动 HTTP/2 连接后发送一个“Alt-Svc”帧，包含一个“h3=host:port”的字符串，告诉浏览器在另一个端点上提供等价的 HTTP/3 服务。

浏览器收到“Alt-Svc”帧，会使用 QUIC 异步连接指定的端口，如果连接成功，就会断开HTTP/2 连接，改用新的 HTTP/3 收发数据。

5.4 是否要迁移到HTTP/2

与各大浏览器“强推”HTTPS 的待遇不一样，HTTP/2 的公布可谓是“波澜不惊”。虽然它是 HTTP 协议的一个重大升级，但 Apple、Google 等科技巨头并没有像 HTTPS 那样给予大量资源的支持。

直到今天，HTTP/2 在互联网上还是处于“不温不火”的状态，虽然已经有了不少的网站改造升级到了 HTTP/2，但普及的速度远不及 HTTPS。

5.4.1 HTTP/2的优点

兼容：HTTP/2 最大的一个优点是完全保持了与 HTTP/1 的兼容，在语义上没有任何变化，因为兼容 HTTP/1，所以 HTTP/2 也具有 HTTP/1 的所有优点，并且“基本”解决了HTTP/1 的所有缺点。

安全： HTTP/2 对 HTTPS 在各方面都做了强化。下层的 TLS 至少是 1.2，而且只能使用前向安全的密码套件（即 ECDHE），这同时也就默认实现了“TLS False Start”，支持1-RTT 握手，所以不需要再加额外的配置就可以自动实现 HTTPS 加速。

性能： 影响网络速度的两个关键因素是“带宽”和“延迟”，HTTP/2 的头部压缩、多路复用、流优先级、服务器推送等手段其实都是针对这两个要点。

• 头部压缩：节约带宽的基本手段就是压缩，在 HTTP/1 里只能压缩 body，而 HTTP/2 则可以用HPACK 算法压缩 header，这对高流量的网站非常有价值，有数据表明能节省大概5%~10% 的流量，这是实实在在的“真金白银”。
• 多路复用：与 HTTP/1“并发多个连接”不同，HTTP/2 的“多路复用”特性要求对一个域名（或者IP）只用一个 TCP 连接，所有的数据都在这一个连接上传输，这样不仅节约了客户端、服务器和网络的资源，还可以把带宽跑满，让 TCP 充分“吃饱”。HTTP/1 里的长连接，虽然是双向通信，但任意一个时间点实际上还是单向的，再加上“队头阻塞”，实际的带宽打了个“对折”还不止。HTTP/2 里，“多路复用”则让 TCP 开足了马力，“全速狂奔”，多个请求响应并发，每时每刻上下行方向上都有流在传输数据，没有空闲的时候，带宽的利用率能够接近100%。所以，HTTP/2 只使用一个连接，就能抵得过 HTTP/1 里的五六个连接。
• 流优先级：不过流也可能会有依赖关系，可能会存在等待导致的阻塞，这就是“延迟”，所以 HTTP/2的其他特性就派上了用场。“优先级”可以让客户端告诉服务器，哪个文件更重要，更需要优先传输，服务器就可以调高流的优先级，合理地分配有限的带宽资源，让高优先级的 HTML、图片更快地到达客户端，尽早加载显示。
• 服务器推送：也是降低延迟的有效手段，它不需要客户端预先请求，服务器直接就发给客户端，这就省去了客户端解析 HTML 再请求的时间。

5.4.2 HTTP/2的缺点

HTTP/2 在 TCP 级别还是存在“队头阻塞”的问题。所以，如果网络连接质量差，发生丢包，那么 TCP 会等待重传，传输速度就会降低。

在移动网络中发生 IP 地址切换的时候，下层的 TCP 必须重新建连，要再次“握手”，经历“慢启动”，而且之前连接里积累的 HPACK 字典也都消失了，必须重头开始计算，导致带宽浪费和时延。

HTTP/2 对一个域名只开一个连接，所以一旦这个连接出问题，那么整个网站的体验也就变差了。而这些情况下 HTTP/1 反而不会受到影响，因为它“本来就慢”，而且还会对一个域名开6~8 个连接，顶多其中的一两个连接会“更慢”，其他的连接不会受到影响。

5.4.3 应该迁移到HTTP/2吗

HTTP/2 处于一个略“尴尬”的位置，前面有“老前辈”HTTP/1，后面有“新来者”HTTP/3，即有“老前辈”的“打压”，又有“新来者”的“追赶”，也就难怪没有获得市场的大力“吹捧”了。

但这绝不是说 HTTP/2“一无是处”，实际上 HTTP/2 的性能改进效果是非常明显的，Top1000 的网站中已经有超过 40% 运行在了 HTTP/2 上，包括知名的 Apple、Facebook、Google、Twitter 等等。仅用了四年的时间，HTTP/2 就拥有了这么大的市场份额和巨头的认可，足以证明它的价值。

因为 HTTP/2 的侧重点是“性能”，所以“是否迁移”就需要在这方面进行评估。如果网站的流量很大，那么 HTTP/2 就可以带来可观的收益；反之，如果网站流量比较小，那么级到 HTTP/2 就没有太多必要了，只要利用现有的 HTTP 再优化就足矣。

不过如果你是新建网站，我觉得完全可以跳过 HTTP/1、HTTPS，直接“一步到位”，上HTTP/2，这样不仅可以获得性能提升，还免去了老旧的“历史包袱”，日后也不会再有迁移的烦恼。

5.4.4 配置HTTP/2

因为 HTTP/2“事实上”是加密的，所以如果你已经成功迁移到了HTTPS，那么在 Nginx 里启用 HTTP/2 简直可以说是“不费吹灰之力”，只需要在 server配置里再多加一个参数就可以搞定了。

server {
	listen 443 ssl http2;
	server_name www.xxx.net;
	ssl_certificate xxx.crt;
	ssl_certificate_key xxx.key;

注意“listen”指令，在“ssl”后面多了一个“http2”，这就表示在 443 端口上开启了SSL 加密，然后再启用HTTP/2。

配置服务器推送特性可以使用指令“http2_push”和“http2_push_preload”：

http2_push /style/xxx.css;
http2_push_preload on;

不过如何合理地配置推送是个难题，如果推送给浏览器不需要的资源，反而浪费了带宽。这方面暂时没有一般性的原则指导，你必须根据自己网站的实际情况去“猜测”客户端最需要的数据。

优化方面，HTTPS 的一些策略依然适用，比如精简密码套件、ECC 证书、会话复用、HSTS 减少重定向跳转等等。但还有一些优化手段在 HTTP/2 里是不适用的，而且还会有反效果，比如说常见的精灵图（Spriting）、资源内联（inlining）、域名分片（Sharding）等。

还要注意一点，HTTP/2 默认启用 header 压缩（HPACK），但并没有默认启用 body 压缩，所以不要忘了在 Nginx 配置文件里加上“gzip”指令，压缩 HTML、JS 等文本数据。

5.4.5 应用层协议协商（ALPN）

在 URI 里用的都是 HTTPS 协议名，没有版本标记，浏览器怎么知道服务器支持 HTTP/2 呢，答案在 TLS 的扩展里，有一个叫“ALPN”（Application Layer Protocol Negotiation）的东西，用来与服务器就 TLS 上跑的应用协议进行“协商”。

客户端在发起“Client Hello”握手的时候，后面会带上一个“ALPN”扩展，里面按照优先顺序列出客户端支持的应用协议。

就像下图这样，最优先的是“h2”，其次是“http/1.1”，以前还有“spdy”，以后还可能会有“h3”。

服务器看到 ALPN 扩展以后就可以从列表里选择一种应用协议，在“Server Hello”里也带上“ALPN”扩展，告诉客户端服务器决定使用的是哪一种。因为我们在 Nginx 配置里使用了 HTTP/2 协议，所以在这里它选择的就是“h2”。

这样在 TLS 握手结束后，客户端和服务器就通过“ALPN”完成了应用层的协议协商，后面就可以使用 HTTP/2 通信了。

6. 优化

从 HTTP 最基本的“请求 - 应答”模型来着手。在这个模型里有两个角色：客户端和服务器，还有中间的传输链路，考查性能就可以看这三个部分。

但因为我们是无法完全控制客户端的，所以实际上的优化工作通常是在服务器端。这里又可以细分为后端和前端，后端是指网站的后台服务，而前端就是 HTML、CSS、图片等展现在客户端的代码和数据。

总的来说，任何计算机系统的优化都可以分成这么几类：硬件软件、内部外部、花钱不花钱。

投资购买现成的硬件最简单的优化方式，比如换上更强的 CPU、更快的网卡、更大的带宽、更多的服务器，效果也会“立竿见影”，直接提升网站的服务能力，也就实现了 HTTP优化。

花钱购买外部的软件或者服务也是一种行之有效的优化方式，最“物有所值”的应该算是 CDN。CDN 专注于网络内容交付，帮助网站解决“中间一公里”的问题，还有很多其他非常专业的优化功能。把网站交给 CDN 运营，就好像是“让网站坐上了喷气飞机”，能够直达用户，几乎不需要费什么力气就能够达成很好的优化效果。

在网站内部、“不花钱”的软件优化，主要有三种方式：开源、节流、缓存。

6.1 服务器

我们先来看看服务器，它一般运行在 Linux 操作系统上，用 Apache、Nginx 等 Web 服务器软件对外提供服务，所以，性能的含义就是它的服务能力，也就是尽可能多、尽可能快地处理用户的请求。

衡量服务器性能的主要指标有三个：吞吐量（requests per second）、并发数（concurrency）和响应时间（time per request）。

• 吞吐量： 就是我们常说的 RPS，每秒的请求次数，也有叫 TPS、QPS，它是服务器最基本的性能指标，RPS 越高就说明服务器的性能越好。
• 并发数： 反映的是服务器的负载能力，也就是服务器能够同时支持的客户端数量，当然也是越多越好，能够服务更多的用户。
• 响应时间： 反映的是服务器的处理能力，也就是快慢程度，响应时间越短，单位时间内服务器就能够给越多的用户提供服务，提高吞吐量和并发数。

除了上面的三个基本性能指标，服务器还要考虑 CPU、内存、硬盘和网卡等系统资源的占用程度，利用率过高或者过低都可能有问题。

在 HTTP 多年的发展过程中，已经出现了很多成熟的工具来测量这些服务器的性能指标，开源的、商业的、命令行的、图形化的都有。在 Linux 上，最常用的性能测试工具可能就是 ab（Apache Bench）了，比如，下面的命令指定了并发数 100，总共发送 10000 个请求：

ab -c 100 -n 10000 'http://www.xxx.com'

系统资源监控方面，Linux 自带的工具也非常多，常用的有 uptime、top、vmstat、netstat、sar 等等：

top # 查看 CPU 和内存占用情况
vmstat 2 # 每 2 秒检查一次系统状态
sar -n DEV 2 # 看所有网卡的流量，定时 2 秒检查

理解了这些性能指标，我们就知道了服务器的性能优化方向：合理利用系统资源，提高服务器的吞吐量和并发数，降低响应时间。

6.2 客户端

客户端是信息的消费者，一切数据都要通过网络从服务器获取，所以它最基本的性能指标就是“延迟”（latency）。所谓的“延迟”其实就是“等待”，等待数据到达客户端时所花费的时间。但因为 HTTP 的传输链路很复杂，所以延迟的原因也就多种多样。

• 光速： 因为地理距离而导致的延迟是无法克服的，访问数千公里外的网站显然会有更大的延迟。
• 带宽： 它又包括接入互联网时的电缆、WiFi、4G 和运营商内部网络、运营商之间网络的各种带宽，每一处都有可能成为数据传输的瓶颈，降低传输速度，增加延迟。
• DNS 查询： 如果域名在本地没有缓存，就必须向 DNS 系统发起查询，引发一连串的网络通信成本，而在获取 IP 地址之前客户端只能等待，无法访问网站。
• TCP 握手： 你应该对它比较熟悉了吧，必须要经过 SYN、SYN/ACK、ACK三个包之后才能建立连接，它带来的延迟由光速和带宽共同决定。

对于 HTTP 性能优化，也有一个专门的测试网站“WebPageTest”。它的特点是在世界各地建立了很多的测试点，可以任意选择地理位置、机型、操作系统和浏览器发起测试。网站测试结果是一个直观的“瀑布图”（Waterfall Chart），清晰地列出了页面中所有资源加载的先后顺序和时间消耗，比如下图就是对 GitHub 首页的一次测试。

Chrome 等浏览器自带的开发者工具也可以很好地观察客户端延迟指标，面板左边有每个URI 具体消耗的时间，面板的右边也是类似的瀑布图。点击某个 URI，在 Timing 页里会显示出一个小型的“瀑布图”，是这个资源消耗时间的详细分解，延迟的原因都列的清清楚楚，比如下面的这张图：

图里面的这些指标都是什么含义呢？我给你解释一下：

• Queued at： 因为有“队头阻塞”，浏览器对每个域名最多开 6 个并发连接（HTTP/1.1），当页面里链接很多的时候就必须排队等待（Queued、Queueing），这里它就等待了 1.62 秒，然后才被浏览器正式处理；
• Stalled： 浏览器要预先分配资源，调度连接，花费了 11.56 毫秒;
• DNS Lookup： 连接前必须要解析域名，这里因为有本地缓存，所以只消耗了 0.41 毫秒；
• Initial connection、SSL： 与网站服务器建立连接的成本很高，总共花费了 270.87 毫秒，其中有 134.89 毫秒用于TLS 握手，那么 TCP 握手的时间就是 135.98 毫秒；
• Request sent： 实际发送数据非常快，只用了 0.11 毫秒；
• TTFB： 之后就是等待服务器的响应，专有名词叫 TTFB（Time To First Byte），也就是“首字节响应时间”，里面包括了服务器的处理时间和网络传输时间，花了 124.2 毫秒；
• Content Dowload： 接收数据也是非常快的，用了 3.58 毫秒。

从这张图你可以看到，一次 HTTP“请求 - 响应”的过程中延迟的时间是非常惊人的，总时间 415.04 毫秒里占了差不多 99%。所以，客户端 HTTP 性能优化的关键就是：降低延迟。

6.3 传输链路

以 HTTP 基本的“请求 - 应答”模型为出发点，刚才我们得到了 HTTP 性能优化的一些指标，现在，我们来把视角放大到“真实的世界”，看看客户端和服务器之间的传输链路，它也是影响 HTTP 性能的关键。

如下是互联网示意图：

• 第一公里： 是指网站的出口，也就是服务器接入互联网的传输线路，它的带宽直接决定了网站对外的服务能力，也就是吞吐量等指标。显然，优化性能应该在这“第一公里”加大投入，尽量购买大带宽，接入更多的运营商网络。
• 中间一公里： 就是由许多小网络组成的实际的互联网，其实它远不止“一公里”，而是非常非常庞大和复杂的网络，地理距离、网络互通都严重影响了传输速度。好在这里面有一个HTTP 的“好帮手”——CDN，它可以帮助网站跨越“千山万水”，让这段距离看起来真的就好像只有“一公里”。
• 最后一公里： 是用户访问互联网的入口，对于固网用户就是光纤、网线，对于移动用户就是 WiFi、基站。以前它是客户端性能的主要瓶颈，延迟大带宽小，但随着近几年 4G 和高速宽带的普及，“最后一公里”的情况已经好了很多，不再是制约性能的主要因素了。
• 第零公里： 就是网站内部的 Web 服务系统。它其实也是一个小型的网络（当然也可能会非常大），中间的数据处理、传输会导致延迟，增加服务器的响应时间，也是一个不可忽视的优化点。

在上面整个互联网传输链路中，末端的“最后一公里”我们是无法控制的，所以我们只能在“第零公里”“第一公里”和“中间一公里”这几个部分下功夫，增加带宽降低延迟，优化传输速度。

6.4 开源

这个“开源”是指抓“源头”，开发网站服务器自身的潜力，在现有条件不变的情况下尽量挖掘出更多的服务能力。

我们应该选用高性能的 Web 服务器，最佳选择当然就是 Nginx/OpenResty 了，尽量不要选择基于 Java、Python、Ruby 的其他服务器，它们用来做后面的业务逻辑服务器更好。利用 Nginx 强大的反向代理能力实现“动静分离”，动态页面交给 Tomcat、Django、Rails，图片、样式表等静态资源交给 Nginx。

Nginx 或者 OpenResty 自身也有很多配置参数可以用来进一步调优，举几个例子，比如说禁用负载均衡锁、增大连接池，绑定 CPU 等等。

对于 HTTP 协议一定要启用长连接。TCP 和SSL 建立新连接的成本是非常高的，有可能会占到客户端总延迟的一半以上。长连接虽然不能优化连接握手，但可以把成本“均摊”到多次请求里，这样只有第一次请求会有延迟，之后的请求就不会有连接延迟，总体的延迟也就降低了。

另外，在现代操作系统上都已经支持 TCP 的新特性“TCP Fast Open”（Win10、iOS9、Linux 4.1），它的效果类似 TLS 的“False Start”，可以在初次握手的时候就传输数据，也就是 0-RTT，所以我们应该尽可能在操作系统和 Nginx 里开启这个特性，减少外网和内网里的握手延迟。

下面给出一个简短的 Nginx 配置示例，启用了长连接等优化参数，实现了动静分离：

server {
  listen 80 deferred reuseport backlog=4096 fastopen=1024;

  keepalive_timeout  60;
  keepalive_requests 10000;

  location ~* \.(png)$ {
    root /var/images/png/;
  }

  location ~* \.(php)$ {
    proxy_pass http://php_back_end;
  }
}

6.5 节流

“节流”是指减少客户端和服务器之间收发的数据量，在有限的带宽里传输更多的内容。

“节流”最基本的做法就是使用 HTTP 协议内置的“数据压缩”编码，不仅可以选择标准的 gzip，还可以积极尝试新的压缩算法 br，它有更好的压缩效果。

不过在数据压缩的时候应当注意选择适当的压缩率，不要追求最高压缩比，否则会耗费服务器的计算资源，增加响应时间，降低服务能力，反而会“得不偿失”。gzip 和 br 是通用的压缩算法，对于 HTTP 协议传输的各种格式数据，我们还可以有针对性地采用特殊的压缩方式。

HTML/CSS/JS 属于纯文本，就可以采用特殊的“压缩”，去掉源码里多余的空格、换行、注释等元素。这样“压缩”之后的文本虽然看起来很混乱，对“人类”不友好，但计算机仍然能够毫无障碍地阅读，不影响浏览器上的运行效果。

图片在 HTTP 传输里占有非常高的比例，虽然它本身已经被压缩过了，不能被 gzip、br 处理，但仍然有优化的空间。比如说，去除图片里的拍摄时间、地点、机型等元数据，适当降低分辨率，缩小尺寸。图片的格式也很关键，尽量选择高压缩率的格式，有损格式应该用JPEG，无损格式应该用 Webp 格式。

对于小文本或者小图片，还有一种叫做“资源合并”（Concatenation）的优化方式，就是把许多小资源合并成一个大资源，用一个请求全下载到客户端，然后客户端再用 JS、CSS切分后使用，好处是节省了请求次数，但缺点是处理比较麻烦。

刚才说的几种数据压缩都是针对的 HTTP 报文里的 body，在 HTTP/1 里没有办法可以压缩header，但我们也可以采取一些手段来减少 header 的大小，不必要的字段就尽量不发（例如 Server、X-Powered-By）。

网站经常会使用 Cookie 来记录用户的数据，浏览器访问网站时每次都会带上 Cookie，冗余度很高。所以应当少使用 Cookie，减少 Cookie 记录的数据量，总使用 domain 和path 属性限定 Cookie 的作用域，尽可能减少 Cookie 的传输。如果客户端是现代浏览器，还可以使用 HTML5 里定义的 Web Local Storage，避免使用 Cookie。

压缩之外，“节流”还有两个优化点，就是域名和重定向。

DNS 解析域名会耗费不少的时间，如果网站拥有多个域名，那么域名解析获取 IP 地址就是一个不小的成本，所以应当适当“收缩”域名，限制在两三个左右，减少解析完整域名所需的时间，让客户端尽快从系统缓存里获取解析结果。

重定向引发的客户端延迟也很高，它不仅增加了一次请求往返，还有可能导致新域名的DNS 解析，是 HTTP 前端性能优化的“大忌”。除非必要，应当尽量不使用重定向，或者使用 Web 服务器的“内部重定向”。

6.6 缓存

缓存不仅是 HTTP，也是任何计算机系统性能优化的“法宝”，把它和上面的“开源”“节流”搭配起来应用于传输链路，就能够让 HTTP的性能再上一个台阶。

网站系统内部： 可以使用 Memcache、Redis、Varnish 等专门的缓存服务，把计算的中间结果和资源存储在内存或者硬盘里，Web 服务器首先检查缓存系统，如果有数据就立即返回给客户端，省去了访问后台服务的时间。

互联网上： 缓存更是性能优化的重要手段，CDN 的网络加速功能就是建立在缓存的基础之上的，可以这么说，如果没有缓存，那就没有 CDN。

利用好缓存功能的关键是理解它的工作原理，为每个资源都添加 ETag 和 Last-modified 字段，再用 Cache-Control、Expires 设置好缓存控制属性。其中最基本的是 max-age 有效期，标记资源可缓存的时间。对于图片、CSS 等静态资源可以设置较长的时间，比如一天或者一个月，对于动态资源，除非是实时性非常高，也可以设置一个较短的时间，比如 1 秒或者 5 秒。这样一旦资源到达客户端，就会被缓存起来，在有效期内都不会再向服务器发送请求，也就是：“没有请求的请求，才是最快的请求。”

6.7 HTTP/2

在“开源”“节流”和“缓存”这三大策略之外，HTTP 性能优化还有一个选择，那就是把协议由 HTTP/1 升级到 HTTP/2。

HTTP/2 消除了应用层的队头阻塞，拥有头部压缩、二进制帧、多路复用、流量控制、服务器推送等许多新特性，大幅度提升了 HTTP 的传输效率。实际上这些特性也是在“开源”和“节流”这两点上做文章，但因为这些都已经内置在了协议内，所以只要换上 HTTP/2，网站就能够立刻获得显著的性能提升。

一些在 HTTP/1 里的优化手段到了 HTTP/2 里会有“反效果”。对于 HTTP/2 来说，一个域名使用一个 TCP 连接才能够获得最佳性能，如果开多个域名，就会浪费带宽和服务器资源，也会降低 HTTP/2 的效率，所以“域名收缩”在 HTTP/2 里是必须要做的。“资源合并”在 HTTP/1 里减少了多次请求的成本，但在 HTTP/2 里因为有头部压缩和多路复用，传输小文件的成本很低，所以合并就失去了意义。而且“资源合并”还有一个缺点，就是降低了缓存的可用性，只要一个小文件更新，整个缓存就完全失效，必须重新下载。所以在现在的大带宽和 CDN 应用场景下，应当尽量少用资源合并（JS、CSS 图片合并，数据内嵌），让资源的粒度尽可能地小，才能更好地发挥缓存的作用。

标签：HTTP,TCP,详解,QUIC,服务器,Http,连接,客户端
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