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30 | 时代之风（上）：HTTP/2特性概览

在[第14讲](https://time.geekbang.org/column/article/103746)里，我们看到HTTP有两个主要的缺点：安全不足和性能不高。

刚结束的“安全篇”里的HTTPS，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（参见第17讲）。

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。

在第1讲的HTTP历史中你也看到了，“秦失其鹿，天下共逐之”，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。

为什么不是HTTP/2.0

你一定很想知道，为什么HTTP/2不像之前的“1.0”“1.1”那样叫“2.0”呢？

这个也是很多初次接触HTTP/2的人问的最多的一个问题，对此HTTP/2工作组特别给出了解释。

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”……

这样就可以明确无误地辨别出协议版本的“跃进程度”，让协议在一段较长的时期内保持稳定，每当发布新版本的HTTP协议都会有本质的不同，绝不会有“零敲碎打”的小改良。

兼容HTTP/1

由于HTTPS已经在安全方面做的非常好了，所以HTTP/2的唯一目标就是改进性能。

但它不仅背负着众多的期待，同时还背负着HTTP/1庞大的历史包袱，所以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”）。

那么，HTTP/2是怎么做的呢？

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。

头部压缩

首先，HTTP/2对报文的头部做了一个“大手术”。

通过“进阶篇”的学习你应该知道，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。

所以，HTTP/2把“头部压缩”作为性能改进的一个重点，优化的方式你也肯定能想到，还是“压缩”。

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。

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”。

以二进制格式为基础，HTTP/2就开始了“大刀阔斧”的改革。

它把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。

这种做法有点像是“Chunked”分块编码的方式（参见第16讲），也是“化整为零”的思路，但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”。

虚拟的“流”

消息的“碎片”到达目的地后应该怎么组装起来呢？

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）。

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”。

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。

我们的实验环境在新的域名“www.metroid.net”上启用了HTTP/2协议，你可以把之前“进阶篇”“安全篇”的测试用例都走一遍，再用Wireshark抓一下包，实际看看HTTP/2的效果和对老协议的兼容性（例如“http://www.metroid.net/11-1”）。

在今天这节课专用的URI“/30-1”里，你还可以看到服务器输出了HTTP的版本号“2”和标识符“h2”，表示这是加密的HTTP/2，如果改用“https://www.chrono.com/30-1”访问就会是“1.1”和空。

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“www.chrono.com”的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”。

小结

今天我简略介绍了HTTP/2的一些重要特性，比较偏重理论，下一次我会用Wireshark抓包，具体讲解HTTP/2的头部压缩、二进制帧和流等特性。

1. HTTP协议取消了小版本号，所以HTTP/2的正式名字不是2.0；
2. HTTP/2在“语义”上兼容HTTP/1，保留了请求方法、URI等传统概念；
3. HTTP/2使用“HPACK”算法压缩头部信息，消除冗余数据节约带宽；
4. HTTP/2的消息不再是“Header+Body”的形式，而是分散为多个二进制“帧”；
5. HTTP/2使用虚拟的“流”传输消息，解决了困扰多年的“队头阻塞”问题，同时实现了“多路复用”，提高连接的利用率；
6. HTTP/2也增强了安全性，要求至少是TLS1.2，而且禁用了很多不安全的密码套件。

课下作业

1. 你觉得明文形式的HTTP/2（h2c）有什么好处，应该如何使用呢？
2. 你觉得应该怎样理解HTTP/2里的“流”，为什么它是“虚拟”的？
3. 你能对比一下HTTP/2与HTTP/1、HTTPS的相同点和不同点吗？

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