一分钟预览 HTTP2 特性和抓包分析

背景

近年来,http网络请求量日益添加,以下是httparchive统计,从2012-11-01到2016-09-01的请求数量和传输大小的趋势图:

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当前大部份客户端&服务端架构的应用程序,都是用http/1.1连接的,现代浏览器与单个域最大连接数,都在4-6个左右,由上图Total Requests数据,如果不用CDN分流,平均有20个左右的串行请求。
HTTP2 是1999年发布http1.1后的一次重大的改进,在协议层面改善了以上问题,减少资源占用,来,直接感受一下差异:

HTTP/2 is the future of the Web, and it is here!
这是 Akamai 公司建立的一个官方的演示,用以说明 HTTP/2 相比于之前的 HTTP/1.1 在性能上的大幅度提升。 同时请求 379 张图片,从Load time 的对比可以看出 HTTP/2 在速度上的优势。

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本文所有源码和抓包文件在github

HTTP/2 源自 SPDY/2

SPDY 系列协议由谷歌开发,于 2009 年公开。它的设计目标是降低 50% 的页面加载时间。当下很多著名的互联网公司都在自己的网站或 APP 中采用了 SPDY 系列协议(当前最新版本是 SPDY/3.1),因为它对性能的提升是显而易见的。主流的浏览器(谷歌、火狐、Opera)也都早已经支持 SPDY,它已经成为了工业标准,HTTP Working-Group 最终决定以 SPDY/2 为基础,开发 HTTP/2。HTTP/2标准于2015年5月以RFC 7540正式发表。

但是,HTTP/2 跟 SPDY 仍有不同的地方,主要是以下两点:

HTTP/2 支持明文 HTTP 传输,而 SPDY 强制使用 HTTPS
HTTP/2 消息头的压缩算法采用 HPACK ,而非 SPDY 采用的 DEFLATE(感谢网友 逸风之狐指正)

协议文档请见:rfc7540:HTTP2

HTTP2特性概览

1. 二进制协议

HTTP/2 采用二进制格式传输数据,而非 HTTP/1.x 的文本格式

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由上图可以看到HTTP2在原来的应用层和HTTP层添加了一层二进制传输。

二进制协议的一个好处是,可以定义额外的帧。

HTTP/2 定义了近十种帧(详情可分析抓包文件),为将来的高级应用打好了基础。如果使用文本实现这种功能,解析数据将会变得非常麻烦,二进制解析则方便得多。
RFC7540:Frame Definitions

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协议中定义的帧

2. 多路复用

HTTP/2 复用TCP连接,在一个连接里,客户端和浏览器都可以同时发送多个请求或回应,而且不用按照顺序一一对应,这样就避免了”队头堵塞”(见TCP/IP详解卷一)。
每个 Frame Header 都有一个 Stream ID 就是被用于实现该特性。每次请求/响应使用不同的 Stream ID。就像同一个 TCP 链接上的数据包通过 IP: PORT 来区分出数据包去往哪里一样。

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rfc7540: HTTP2 Multiplexing中对Multiplexing的说明

3. 数据流

数据流发送到一半的时候,客户端和服务器都可以发送信号(RST_STREAM帧),取消这个数据流。1.1版取消数据流的唯一方法,就是关闭TCP连接。这就是说,HTTP/2 可以取消某一次请求,同时保证TCP连接还打开着,可以被其他请求使用。

4. 头信息压缩:

HTTP/2 对消息头采用 HPACK 进行压缩传输,能够节省消息头占用的网络的流量。而 HTTP/1.x 每次请求,都会携带大量冗余头信息,浪费了很多带宽资源。
HTTP2对http头建立索引表,相同的头只发送hash table 的index, 同时还用了霍夫曼编码和传统的gzip压缩。

5. 服务器推送

服务端能够更快的把资源推送给客户端。例如服务端可以主动把 JS 和 CSS 文件推送给客户端,而不需要客户端解析 HTML 再发送这些请求。当客户端需要的时候,它已经在客户端了。

那么存在一个问题,如果客户端设置了缓存怎么办。有三种方式(来自社区)

  • 客户端可以通过设置SETTINGS_ENABLE_PUSH为0值通知服务器端禁用推送
  • 发现缓存后,客户端和服务器都可以发送信号(RST_STREAM帧),取消这个数据流。
  • cache-digest(提案)

    rfc7540: HTTP2 Server Push

    6. 流优先级

    HTTP2允许浏览器指定资源的优先级。

    rfc7540: Stream Priority

浏览器支持

主流浏览器都只支持 HTTP/2 Over TLS

node中启用http2

node中可以用spdy模块来启动应用,spdy的api,与https是一致的且主流浏览器只支持HTTP/2 Over TLS,需要配置 私钥和证书,本地自签名服务器配置可参考引用6,7

如上,对于已存在的项目只要修改几行代码就可以使用http2.0了。

请求头和响应头:

说明:新版的Chrome,对不安全的证书(如本地的自签名服务)会降级到http1.1,firefox不会出现此问题。

启动server push

源码在github

响应

抓包分析

可以用chrome 内部自带的工具(chrome://net-internals/)查看http2流量,但这个包信息量比较少,结构不如我们熟悉的Fiddler or Wireshark清晰。

Fiddler是直接作为中间代理,可以作为客户端直接与服务端通讯,可以像浏览器那样直接解密https,直接看到https报文,
但是由于受限于.NET Framework暂不支持Http2.

用wireshark直接抓包 https:443端口的流量是这样的:

数据被加密了,协议细节完全看不到。
这里介绍了一种方法获取私钥解包。
抓包https包时要把代理关了,不然私钥不是同一个,wireshark不能解包(被这个坑了两小时T T)。

一个包内有多个不同的Steam ID

追踪解密后TCP流可以看到,由于多路复用,各个不同的请求交替传输不同的帧,所以流数据是乱的。但在同一帧内数据还是正常的。

最后

最后,HTTP2有更高的传输速度,更少的资源占用,可以去除各种性能优化tricks(如css sprite,inline-image.)
转向WEB开发的美好未来T.T

参考资料

  1. Turn-on HTTP/2 today!
  2. Hypertext Transfer Protocol Version 2 (HTTP/2)
  3. npm spdy
  4. npm spdy push
  5. How to create a self-signed SSL Certificate
  6. HPACK: Header Compression for HTTP/2
  7. 用Node.js创建自签名的HTTPS服务器
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