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# 30｜HTTP/2：如何提升网络速度？
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[上一篇文章](https://time.geekbang.org/column/article/147501)我们聊了HTTP/1.1的发展史，虽然HTTP/1.1已经做了大量的优化，但是依然存在很多性能瓶颈，依然不能满足我们日益变化的新需求，所以就有了我们今天要聊的HTTP/2。
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本文我们依然从需求的层面来谈，先分析HTTP/1.1存在哪些问题，然后再来分析HTTP/2是如何解决这些问题的。
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我们知道HTTP/1.1为网络效率做了大量的优化，最核心的有如下三种方式：
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1. 增加了持久连接；
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2. 浏览器为每个域名最多同时维护6个TCP持久连接；
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3. 使用CDN的实现域名分片机制。
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通过这些方式就大大提高了页面的下载速度，你可以通过下图来直观感受下：
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HTTP/1.1的资源下载方式
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在该图中，引入了CDN，并同时为每个域名维护6个连接，这样就大大减轻了整个资源的下载时间。这里我们可以简单计算下：如果使用单个TCP的持久连接，下载100个资源所花费的时间为100 \* n \* RTT；若通过上面的技术，就可以把整个时间缩短为100 \* n \* RTT/(6 \* CDN个数)。从这个计算结果来看，我们的页面加载速度变快了不少。
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## HTTP/1.1的主要问题
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虽然HTTP/1.1采取了很多优化资源加载速度的策略，也取得了一定的效果，但是HTTP/1.1**对带宽的利用率却并不理想**，这也是HTTP/1.1的一个核心问题。
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**带宽是指每秒最大能发送或者接收的字节数**。我们把每秒能发送的最大字节数称为**上行带宽**，每秒能够接收的最大字节数称为**下行带宽**。
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之所以说HTTP/1.1对带宽的利用率不理想，是因为HTTP/1.1很难将带宽用满。比如我们常说的100M带宽，实际的下载速度能达到12.5M/S，而采用HTTP/1.1时，也许在加载页面资源时最大只能使用到2.5M/S，很难将12.5M全部用满。
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之所以会出现这个问题，主要是由以下三个原因导致的。
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**第一个原因，TCP的慢启动。**
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一旦一个TCP连接建立之后，就进入了发送数据状态，刚开始TCP协议会采用一个非常慢的速度去发送数据，然后慢慢加快发送数据的速度，直到发送数据的速度达到一个理想状态，我们把这个过程称为慢启动。
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你可以把每个TCP发送数据的过程看成是一辆车的启动过程，当刚进入公路时，会有从0到一个稳定速度的提速过程，TCP的慢启动就类似于该过程。
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慢启动是TCP为了减少网络拥塞的一种策略，我们是没有办法改变的。
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而之所以说慢启动会带来性能问题，是因为页面中常用的一些关键资源文件本来就不大，如HTML文件、CSS文件和JavaScript文件，通常这些文件在TCP连接建立好之后就要发起请求的，但这个过程是慢启动，所以耗费的时间比正常的时间要多很多，这样就推迟了宝贵的首次渲染页面的时长了。
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**第二个原因，同时开启了多条TCP连接，那么这些连接会竞争固定的带宽。**
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你可以想象一下，系统同时建立了多条TCP连接，当带宽充足时，每条连接发送或者接收速度会慢慢向上增加；而一旦带宽不足时，这些TCP连接又会减慢发送或者接收的速度。比如一个页面有200个文件，使用了3个CDN，那么加载该网页的时候就需要建立6 \* 3，也就是18个TCP连接来下载资源；在下载过程中，当发现带宽不足的时候，各个TCP连接就需要动态减慢接收数据的速度。
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这样就会出现一个问题，因为有的TCP连接下载的是一些关键资源，如CSS文件、JavaScript文件等，而有的TCP连接下载的是图片、视频等普通的资源文件，但是多条TCP连接之间又不能协商让哪些关键资源优先下载，这样就有可能影响那些关键资源的下载速度了。
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**第三个原因，HTTP/1.1队头阻塞的问题。**
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通过[上一篇文章](https://time.geekbang.org/column/article/147501)，我们知道在HTTP/1.1中使用持久连接时，虽然能公用一个TCP管道，但是在一个管道中同一时刻只能处理一个请求，在当前的请求没有结束之前，其他的请求只能处于阻塞状态。这意味着我们不能随意在一个管道中发送请求和接收内容。
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这是一个很严重的问题，因为阻塞请求的因素有很多，并且都是一些不确定性的因素，假如有的请求被阻塞了5秒，那么后续排队的请求都要延迟等待5秒，在这个等待的过程中，带宽、CPU都被白白浪费了。
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在浏览器处理生成页面的过程中，是非常希望能提前接收到数据的，这样就可以对这些数据做预处理操作，比如提前接收到了图片，那么就可以提前进行编解码操作，等到需要使用该图片的时候，就可以直接给出处理后的数据了，这样能让用户感受到整体速度的提升。
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但队头阻塞使得这些数据不能并行请求，所以队头阻塞是很不利于浏览器优化的。
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## HTTP/2的多路复用
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前面我们分析了HTTP/1.1所存在的一些主要问题：慢启动和TCP连接之间相互竞争带宽是由于TCP本身的机制导致的，而队头阻塞是由于HTTP/1.1的机制导致的。
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那么该如何去解决这些问题呢？
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虽然TCP有问题，但是我们依然没有换掉TCP的能力，所以我们就要想办法去规避TCP的慢启动和TCP连接之间的竞争问题。
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基于此，HTTP/2的思路就是一个域名只使用一个TCP长连接来传输数据，这样整个页面资源的下载过程只需要一次慢启动，同时也避免了多个TCP连接竞争带宽所带来的问题。
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另外，就是队头阻塞的问题，等待请求完成后才能去请求下一个资源，这种方式无疑是最慢的，所以HTTP/2需要实现资源的并行请求，也就是任何时候都可以将请求发送给服务器，而并不需要等待其他请求的完成，然后服务器也可以随时返回处理好的请求资源给浏览器。
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所以，HTTP/2的解决方案可以总结为：**一个域名只使用一个TCP长连接和消除队头阻塞问题**。可以参考下图：
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HTTP/2的多路复用
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该图就是HTTP/2最核心、最重要且最具颠覆性的**多路复用机制**。从图中你会发现每个请求都有一个对应的ID，如stream1表示index.html的请求，stream2表示foo.css的请求。这样在浏览器端，就可以随时将请求发送给服务器了。
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服务器端接收到这些请求后，会根据自己的喜好来决定优先返回哪些内容，比如服务器可能早就缓存好了index.html和bar.js的响应头信息，那么当接收到请求的时候就可以立即把index.html和bar.js的响应头信息返回给浏览器，然后再将index.html和bar.js的响应体数据返回给浏览器。之所以可以随意发送，是因为每份数据都有对应的ID，浏览器接收到之后，会筛选出相同ID的内容，将其拼接为完整的HTTP响应数据。
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HTTP/2使用了多路复用技术，可以将请求分成一帧一帧的数据去传输，这样带来了一个额外的好处，就是当收到一个优先级高的请求时，比如接收到JavaScript或者CSS关键资源的请求，服务器可以暂停之前的请求来优先处理关键资源的请求。
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## 多路复用的实现
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现在我们知道为了解决HTTP/1.1存在的问题，HTTP/2采用了多路复用机制，那HTTP/2是怎么实现多路复用的呢？你可以先看下面这张图：
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HTTP/2协议栈
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从图中可以看出，HTTP/2添加了一个**二进制分帧层**，那我们就结合图来分析下HTTP/2的请求和接收过程。
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* 首先，浏览器准备好请求数据，包括了请求行、请求头等信息，如果是POST方法，那么还要有请求体。
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* 这些数据经过二进制分帧层处理之后，会被转换为一个个带有请求ID编号的帧，通过协议栈将这些帧发送给服务器。
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* 服务器接收到所有帧之后，会将所有相同ID的帧合并为一条完整的请求信息。
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* 然后服务器处理该条请求，并将处理的响应行、响应头和响应体分别发送至二进制分帧层。
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* 同样，二进制分帧层会将这些响应数据转换为一个个带有请求ID编号的帧，经过协议栈发送给浏览器。
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* 浏览器接收到响应帧之后，会根据ID编号将帧的数据提交给对应的请求。
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从上面的流程可以看出，**通过引入二进制分帧层，就实现了HTTP的多路复用技术**。
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[上一篇文章](https://time.geekbang.org/column/article/147501)我们介绍过，HTTP是浏览器和服务器通信的语言，在这里虽然HTTP/2引入了二进制分帧层，不过HTTP/2的语义和HTTP/1.1依然是一样的，也就是说它们通信的语言并没有改变，比如开发者依然可以通过Accept请求头告诉服务器希望接收到什么类型的文件，依然可以使用Cookie来保持登录状态，依然可以使用Cache来缓存本地文件，这些都没有变，发生改变的只是传输方式。这一点对开发者来说尤为重要，这意味着我们不需要为HTTP/2去重建生态，并且HTTP/2推广起来会也相对更轻松了。
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## HTTP/2其他特性
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通过上面的分析，我们知道了多路复用是HTTP/2的最核心功能，它能实现资源的并行传输。多路复用技术是建立在二进制分帧层的基础之上。其实基于二进制分帧层，HTTP/2还附带实现了很多其他功能，下面我们就来简要了解下。
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### 1\. 可以设置请求的优先级
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我们知道浏览器中有些数据是非常重要的，但是在发送请求时，重要的请求可能会晚于那些不怎么重要的请求，如果服务器按照请求的顺序来回复数据，那么这个重要的数据就有可能推迟很久才能送达浏览器，这对于用户体验来说是非常不友好的。
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为了解决这个问题，HTTP/2提供了请求优先级，可以在发送请求时，标上该请求的优先级，这样服务器接收到请求之后，会优先处理优先级高的请求。
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### 2\. 服务器推送
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除了设置请求的优先级外，HTTP/2还可以直接将数据提前推送到浏览器。你可以想象这样一个场景，当用户请求一个HTML页面之后，服务器知道该HTML页面会引用几个重要的JavaScript文件和CSS文件，那么在接收到HTML请求之后，附带将要使用的CSS文件和JavaScript文件一并发送给浏览器，这样当浏览器解析完HTML文件之后，就能直接拿到需要的CSS文件和JavaScript文件，这对首次打开页面的速度起到了至关重要的作用。
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### 3\. 头部压缩
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无论是HTTP/1.1还是HTTP/2，它们都有请求头和响应头，这是浏览器和服务器的通信语言。HTTP/2对请求头和响应头进行了压缩，你可能觉得一个HTTP的头文件没有多大，压不压缩可能关系不大，但你这样想一下，在浏览器发送请求的时候，基本上都是发送HTTP请求头，很少有请求体的发送，通常情况下页面也有100个左右的资源，如果将这100个请求头的数据压缩为原来的20%，那么传输效率肯定能得到大幅提升。
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## 总结
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好了，今天就介绍这里，下面我来总结下本文的主要内容。
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我们首先分析了影响HTTP/1.1效率的三个主要因素：TCP的慢启动、多条TCP连接竞争带宽和队头阻塞。
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接下来我们分析了HTTP/2是如何采用多路复用机制来解决这些问题的。多路复用是通过在协议栈中添加二进制分帧层来实现的，有了二进制分帧层还能够实现请求的优先级、服务器推送、头部压缩等特性，从而大大提升了文件传输效率。
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HTTP/2协议规范于2015年5月正式发布，在那之后，该协议已在互联网和万维网上得到了广泛的实现和部署。从目前的情况来看，国内外一些排名靠前的站点基本都实现了HTTP/2的部署。使用HTTP/2能带来20%～60%的效率提升，至于20%还是60%要看优化的程度。总之，我们也应该与时俱进，放弃HTTP/1.1和其性能优化方法，去“拥抱”HTTP/2。
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## 思考时间
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虽然HTTP/2解决了HTTP/1.1中的队头阻塞问题，但是HTTP/2依然是基于TCP协议的，而TCP协议依然存在数据包级别的队头阻塞问题，那么你觉得TCP的队头阻塞是如何影响到HTTP/2性能的呢？
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