深度解读HTTP的前世今生

HTTP的全名叫做超文本传输协议，是万维网所基于的应用层传输协议，建立之初，主要就是为了将超文本标记语言(HTML)文档从Web服务器传送到客户端的浏览器。最初的版本是HTTP 0.9，是在80年的后期产生的，后面在1996年升级到了1.0。

但是到了 WEB2.0以来，我们的页面变得复杂，不仅仅单纯的是一些简单的文字和图片，同时我们的 HTML 页面有了 CSS，Javascript，来丰富我们的页面展示，当 ajax 的出现，我们又多了一种向服务器端获取数据的方法，这些其实都是基于 HTTP 协议的。同样到了移动互联网时代，我们页面可以跑在手机端浏览器里面，但是和 PC 相比，手机端的网络情况更加复杂，这使得我们开始了不得不对 HTTP 进行深入理解并不断优化过程中。所以在1997年出现了HTTP1.1，随后到2014年，HTTP1.1都一直都在更新。

然后到了2015年，为了适应快速发送的web应用和现代浏览器的需求，在Google的SPDY项目基础上发展出了新的HTTP2协议。

又过了4年，在2019年，Google又开发出了一个新的协议标准QUIC协议，它就是HTTP3的基石，其目的是为了提高用户与网站和API交互的速度和安全性。

HTTP1.0

早先的HTTP1.0版本，是一种无状态、无连接的应用层协议。

HTTP1.0规定浏览器和服务器保持短暂的连接，浏览器的每次请求都需要与服务器建立一个TCP连接，服务器处理完成后立即断开TCP连接（无连接），服务器不跟踪每个客户端也不记录过去的请求（无状态）。

TCP建立连接时间 = 1.5 RTT

• 一去 （SYN）
• 二回 （SYN + ACK）
• 三去 （ACK）

RTT(Round Trip Time)是指通信一来一回的时间

这种无状态性可以借助cookie/session机制来做身份认证和状态记录。而下面两个问题就比较麻烦了。

理解这两个问题有一个十分重要的前提：客户端是依据域名来向服务器建立连接，一般PC端浏览器会针对单个域名的server同时建立6～8个连接，手机端的连接数则一般控制在4～6个

• 无法复用连接，每次请求都要经历三次握手和慢启动，三次握手在高延迟的场景下影响较明显，慢启动则对文件类大请求影响较大。

  TCP 连接会随着时间进行自我「调谐」，起初会限制连接的最大速度，如果数据成功传输，会随着时间的推移提高传输的速度。这种调谐则被称为 TCP 慢启动。

• 队头阻塞（head of line blocking），由于HTTP1.0规定下一个请求必须在前一个请求响应到达之后才能发送。假设前一个请求响应一直不到达，那么下一个请求就不发送，同样的后面的请求也给阻塞了。

为了解决这些问题，HTTP1.1出现了。

HTTP1.1

对于HTTP1.1，不仅继承了HTTP1.0简单的特点，还克服了诸多HTTP1.0性能上的问题。

• 缓存处理，在HTTP1.0中主要使用header里的If-Modified-Since,Expires来做为缓存判断的标准，HTTP1.1则引入了更多的缓存控制策略例如Entity tag，If-Unmodified-Since, If-Match, If-None-Match等更多可供选择的缓存头来控制缓存策略。
• 带宽优化及网络连接的使用，HTTP1.0中，存在一些浪费带宽的现象，例如客户端只是需要某个对象的一部分，而服务器却将整个对象送过来了，并且不支持断点续传功能，HTTP1.1则在请求头引入了range头域，它允许只请求资源的某个部分，即返回码是206（Partial Content），这样就方便了开发者自由的选择以便于充分利用带宽和连接。
• 错误通知的管理，在HTTP1.1中新增了24个错误状态响应码，如409（Conflict）表示请求的资源与资源的当前状态发生冲突；410（Gone）表示服务器上的某个资源被永久性的删除。
• Host头处理，在HTTP1.0中认为每台服务器都绑定一个唯一的IP地址，因此，请求消息中的URL并没有传递主机名（hostname）。但随着虚拟主机技术的发展，在一台物理服务器上可以存在多个虚拟主机（Multi-homed Web Servers），并且它们共享一个IP地址。HTTP1.1的请求消息和响应消息都应支持Host头域，且请求消息中如果没有Host头域会报告一个错误（400 Bad Request）。
• 长连接（Persistent Connection），HTTP1.1增加了一个Connection字段，通过设置Keep-Alive可以保持HTTP连接不断开，避免了每次客户端与服务器请求都要重复建立释放建立TCP连接，提高了网络的利用率。如果客户端想关闭HTTP连接，可以在请求头中携带Connection: false来告知服务器关闭请求。
• 管道化（Pipelining），基于HTTP1.1的长连接，使得请求管线化成为可能。管线化使得请求能够“并行”传输。举个例子来说，假如响应的主体是一个html页面，页面中包含了很多img，这个时候keep-alive就起了很大的作用，能够进行“并行”发送多个请求。

这里的“并行”并不是真正意义上的并行传输，这是因为管道化只是让多个请求传输数据可以共用一条管道，但是服务器必须按照客户端请求的先后顺序依次回送相应的结果，以保证客户端能够区分出每次请求的响应内容。

如图所示，客户端同时发了两个请求分别来获取html和css，假如说服务器的css资源先准备就绪，服务器也会先发送html再发送css。

换句话来说，只有等到html响应的资源完全传输完毕后，css响应的资源才能开始传输。也就是说，不允许同时存在两个并行的响应。

另外，pipelining还存在一些缺陷：

• pipelining只能适用于http1.1，一般来说，支持http1.1的server都要求支持pipelining;
• 只有幂等的请求（GET，HEAD）能使用pipelining，非幂等请求比如POST不能使用，因为请求之间可能会存在先后依赖关系;
• 绝大部分的http代理服务器不支持pipelining;
• 和不支持pipelining的老服务器协商有问题;
• 可能会导致新的Front of queue blocking问题;

可见，HTTP1.1还是无法解决队头阻塞（head of line blocking）的问题。同时“管道化”技术存在各种各样的问题，所以很多浏览器要么根本不支持它，要么就直接默认关闭，并且开启的条件很苛刻...而且实际上好像并没有什么用处。

那我们在谷歌控制台看到的并行请求又是怎么一回事呢？

如图所示，绿色部分代表请求发起到服务器响应的一个等待时间，而蓝色部分表示资源的下载时间。按照理论来说，HTTP响应理应当是前一个响应的资源下载完了，下一个响应的资源才能开始下载。而这里却出现了响应资源下载并行的情况。这又是为什么呢？

其实，虽然HTTP1.1支持管道化，但是服务器也必须进行逐个响应的送回，这个是很大的一个缺陷。实际上，现阶段的浏览器厂商采取了另外一种做法，它允许我们打开多个TCP的会话。也就是说，上图我们看到的并行，其实是不同的TCP连接上的HTTP请求和响应。这也就是我们所熟悉的浏览器对同域下并行加载6~8个资源的限制。而这，才是真正的并行！

HTTP2.0

HTTP 2.0 的出现，相比于 HTTP 1.x ，大幅度的提升了 web 性能。在与 HTTP/1.1 完全语义兼容的基础上，进一步减少了网络延迟。而对于前端开发人员来说，无疑减少了在前端方面的优化工作。本文将对 HTTP 2.0 协议 个基本技术点进行总结，联系相关知识，探索 HTTP 2.0 是如何提高性能的。

初露锋芒

HTTP/2: the Future of the Internet 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。

此时如果我们打开 Chrome Developer Tools 查看 Network一栏可以发现，HTTP/2 在网络请求方面与 HTTP /1.1的明显区别。

HTTP/1:

HTTP/2:

多路复用 (Multiplexing)

http1.1最初对同一个域名只支持2个tcp, 但是由于性能原因rfc后面又有修改到可以用6-8个。 此外，keep-alive用的是http pipelining本质上也是multiplexing, 但是由于会存在head of line blocking问题, 主流浏览器都默认禁止pipelining，而http2.0才真正的解决了hol问题

多路复用允许同时通过单一的 HTTP/2 连接发起多重的请求-响应消息。

众所周知 ，在 HTTP/1.1 协议中 「浏览器客户端在同一时间，针对同一域名下的请求有一定数量限制。超过限制数目的请求会被阻塞」。

Clients that use persistent connections SHOULD limit the number of simultaneous connections that they maintain to a given server. A single-user client SHOULD NOT maintain more than 2 connections with any server or proxy. A proxy SHOULD use up to 2*N connections to another server or proxy, where N is the number of simultaneously active users. These guidelines are intended to improve HTTP response times and avoid congestion.

该图总结了不同浏览器对该限制的数目。

这也是为何一些站点会有多个静态资源 CDN 域名的原因之一，拿 Twitter 为例，http://twimg.com，目的就是变相的解决浏览器针对同一域名的请求限制阻塞问题。而 HTTP/2 的多路复用(Multiplexing) 则允许同时通过单一的 HTTP/2 连接发起多重的请求-响应消息。

因此 HTTP/2 可以很容易的去实现多流并行而不用依赖建立多个 TCP 连接，HTTP/2 把 HTTP 协议通信的基本单位缩小为一个一个的帧，这些帧对应着逻辑流中的消息。并行地在同一个 TCP 连接上双向交换消息。

二进制分帧

在不改动 HTTP/1.x 的语义、方法、状态码、URI 以及首部字段….. 的情况下, HTTP/2 是如何做到「突破 HTTP1.1 的性能限制，改进传输性能，实现低延迟和高吞吐量」的 ?

关键之一就是在 应用层(HTTP/2)和传输层(TCP or UDP)之间增加一个二进制分帧层。

在二进制分帧层中， HTTP/2 会将所有传输的信息分割为更小的消息和帧（frame）,并对它们采用二进制格式的编码 ，其中 HTTP1.x 的首部信息会被封装到 HEADER frame，而相应的 Request Body 则封装到 DATA frame 里面。

下面是几个概念：

• 流（stream）：已建立连接上的双向字节流。
• 消息：与逻辑消息对应的完整的一系列数据帧。
• 帧（frame）：HTTP2.0通信的最小单位，每个帧包含帧头部，至少也会标识出当前帧所属的流（stream id）

HTTP/2 通信都在一个连接上完成，这个连接可以承载任意数量的双向数据流。

每个数据流以消息的形式发送，而消息由一或多个帧组成。这些帧可以乱序发送，然后再根据每个帧头部的流标识符（stream id）重新组装。

举个例子，每个请求是一个数据流，数据流以消息的方式发送，而消息又分为多个帧，帧头部记录着stream id用来标识所属的数据流，不同属的帧可以在连接中随机混杂在一起。接收方可以根据stream id将帧再归属到各自不同的请求当中去。

另外，多路复用（连接共享）可能会导致关键请求被阻塞。HTTP2.0里每个数据流都可以设置优先级和依赖，优先级高的数据流会被服务器优先处理和返回给客户端，数据流还可以依赖其他的子数据流。

可见，HTTP2.0实现了真正的并行传输，它能够在一个TCP上进行任意数量HTTP请求。而这个强大的功能则是基于“二进制分帧”的特性。

总结：

• 单连接多资源的方式，减少服务端的链接压力,内存占用更少,连接吞吐量更大
• 由于 TCP 连接的减少而使网络拥塞状况得以改善，同时慢启动时间的减少,使拥塞和丢包恢复速度更快

首部压缩（Header Compression）

HTTP/1.1并不支持 HTTP 首部压缩，为此 SPDY 和 HTTP/2 应运而生， SPDY 使用的是通用的DEFLATE 算法，而 HTTP/2 则使用了专门为首部压缩而设计的 HPACK 算法。

在HTTP1.x中，头部元数据都是以纯文本的形式发送的，通常会给每个请求增加500~800字节的负荷。

比如说cookie，默认情况下，浏览器会在每次请求的时候，把cookie附在header上面发送给服务器。（由于cookie比较大且每次都重复发送，一般不存储信息，只是用来做状态记录和身份认证）

HTTP2.0使用encoder来减少需要传输的header大小，通讯双方各自cache一份header fields表，既避免了重复header的传输，又减小了需要传输的大小。高效的压缩算法可以很大的压缩header，减少发送包的数量从而降低延迟。

服务端推送（Server Push）

服务端推送是一种在客户端请求之前发送数据的机制。在 HTTP/2 中，服务器可以对客户端的一个请求发送多个响应。Server Push 让 HTTP1.x 时代使用内嵌资源的优化手段变得没有意义；如果一个请求是由你的主页发起的，服务器很可能会响应主页内容、logo 以及样式表，因为它知道客户端会用到这些东西。这相当于在一个 HTML 文档内集合了所有的资源，不过与之相比，服务器推送还有一个很大的优势：可以缓存！也让在遵循同源的情况下，不同页面之间可以共享缓存资源成为可能。

HTTP3

HTTP/3 现在还没正式推出，不过自 2017 年起， HTTP/3 已经更新到 34 个草案了，基本的特性已经确定下来了，对于包格式可能后续会有变化。

所以，这次 HTTP/3 介绍不会涉及到包格式，只说它的特性。

美中不足的 HTTP/2

HTTP/2 通过头部压缩、二进制编码、多路复用、服务器推送等新特性大幅度提升了 HTTP/1.1 的性能，而美中不足的是 HTTP/2 协议是基于 TCP 实现的，于是存在的缺陷有三个。

• 队头阻塞；
• TCP 与 TLS 的握手时延迟；
• 网络迁移需要重新连接；

队头阻塞

HTTP/2 多个请求是跑在一个 TCP 连接中的，那么当 TCP 丢包时，整个 TCP 都要等待重传，那么就会阻塞该 TCP 连接中的所有请求。

因为 TCP 是字节流协议，TCP 层必须保证收到的字节数据是完整且有序的，如果序列号较低的 TCP 段在网络传输中丢失了，即使序列号较高的 TCP 段已经被接收了，应用层也无法从内核中读取到这部分数据，从 HTTP 视角看，就是请求被阻塞了。

TCP 与 TLS 的握手时延迟

发起 HTTP 请求时，需要经过 TCP 三次握手和 TLS 四次握手（TLS 1.2）的过程，因此共需要 3 个 RTT 的时延才能发出请求数据。

另外， TCP 由于具有「拥塞控制」的特性，所以刚建立连接的 TCP 会有个「慢启动」的过程，它会对 TCP 连接产生"减速"效果。

网络迁移需要重新连接

一个 TCP 连接是由四元组（源 IP 地址，源端口，目标 IP 地址，目标端口）确定的，这意味着如果 IP 地址或者端口变动了，就会导致需要 TCP 与 TLS 重新握手，这不利于移动设备切换网络的场景，比如 4G 网络环境切换成 WIFI。

这些问题都是 TCP 协议固有的问题，无论应用层的 HTTP/2 在怎么设计都无法逃脱。要解决这个问题，就必须把传输层协议替换成 UDP，这个大胆的决定，HTTP/3 做了！

QUIC 协议的特点

我们深知，UDP 是一个简单、不可靠的传输协议，而且是 UDP 包之间是无序的，也没有依赖关系。

而且，UDP 是不需要连接的，也就不需要握手和挥手的过程，所以天然的就比 TCP 快。

当然，HTTP/3 不仅仅只是简单将传输协议替换成了 UDP，还基于 UDP 协议在「应用层」实现了 QUIC 协议，它具有类似 TCP 的连接管理、拥塞窗口、流量控制的网络特性，相当于将不可靠传输的 UDP 协议变成“可靠”的了，所以不用担心数据包丢失的问题。

QUIC 协议的优点有很多，这里举例几个，比如：

• 无队头阻塞；
• 更快的连接建立；
• 连接迁移；

无队头阻塞

QUIC 协议也有类似 HTTP/2 Stream 与多路复用的概念，也是可以在同一条连接上并发传输多个 Stream，Stream 可以认为就是一条 HTTP 请求。

由于 QUIC 使用的传输协议是 UDP，UDP 不关心数据包的顺序，如果数据包丢失，UDP 也不关心。

不过 QUIC 协议会保证数据包的可靠性，每个数据包都有一个序号唯一标识。当某个流中的一个数据包丢失了，即使该流的其他数据包到达了，数据也无法被 HTTP/3 读取，直到 QUIC 重传丢失的报文，数据才会交给 HTTP/3。

而其他流的数据报文只要被完整接收，HTTP/3 就可以读取到数据。这与 HTTP/2 不同，HTTP/2 只要某个流中的数据包丢失了，其他流也会因此受影响。

所以，QUIC 连接上的多个 Stream 之间并没有依赖，都是独立的，某个流发生丢包了，只会影响该流，其他流不受影响。

更快的连接建立

对于 HTTP/1 和 HTTP/2 协议，TCP 和 TLS 是分层的，分别属于内核实现的传输层、openssl 库实现的表示层，因此它们难以合并在一起，需要分批次来握手，先 TCP 握手，再 TLS 握手。

HTTP/3 在传输数据前虽然需要 QUIC 协议握手，这个握手过程只需要 1 RTT，握手的目的是为确认双方的「连接 ID」，连接迁移就是基于连接 ID 实现的。

但是 HTTP/3 的 QUIC 协议并不是与 TLS 分层，而是QUIC 内部包含了 TLS，它在自己的帧会携带 TLS 里的“记录”，再加上 QUIC 使用的是 TLS1.3，因此仅需 1 个 RTT 就可以「同时」完成建立连接与密钥协商，甚至在第二次连接的时候，应用数据包可以和 QUIC 握手信息（连接信息 + TLS 信息）一起发送，达到 0-RTT 的效果。

如下图右边部分，HTTP/3 当会话恢复时，有效负载数据与第一个数据包一起发送，可以做到 0-RTT：

连接迁移

在前面我们提到，基于 TCP 传输协议的 HTTP 协议，由于是通过四元组（源 IP、源端口、目的 IP、目的端口）确定一条 TCP 连接，那么当移动设备的网络从 4G 切换到 WIFI 时，意味着 IP 地址变化了，那么就必须要断开连接，然后重新建立连接，而建立连接的过程包含 TCP 三次握手和 TLS 四次握手的时延，以及 TCP 慢启动的减速过程，给用户的感觉就是网络突然卡顿了一下，因此连接的迁移成本是很高的。

而 QUIC 协议没有用四元组的方式来“绑定”连接，而是通过连接 ID来标记通信的两个端点，客户端和服务器可以各自选择一组 ID 来标记自己，因此即使移动设备的网络变化后，导致 IP 地址变化了，只要仍保有上下文信息（比如连接 ID、TLS 密钥等），就可以“无缝”地复用原连接，消除重连的成本，没有丝毫卡顿感，达到了连接迁移的功能。

HTTP/3 协议

了解完 QUIC 协议的特点后，我们再来看看 HTTP/3 协议在 HTTP 这一层做了什么变化。

HTTP/3 同 HTTP/2 一样采用二进制帧的结构，不同的地方在于 HTTP/2 的二进制帧里需要定义 Stream，而 HTTP/3 自身不需要再定义 Stream，直接使用 QUIC 里的 Stream，于是 HTTP/3 的帧的结构也变简单了。

从上图可以看到，HTTP/3 帧头只有两个字段：类型和长度。

根据帧类型的不同，大体上分为数据帧和控制帧两大类，HEADERS 帧（HTTP 头部）和 DATA 帧（HTTP 包体）属于数据帧。

HTTP/3 在头部压缩算法这一方便也做了升级，升级成了 QPACK。与 HTTP/2 中的 HPACK 编码方式相似，HTTP/3 中的 QPACK 也采用了静态表、动态表及 Huffman 编码。

对于静态表的变化，HTTP/2 中的 HPACK 的静态表只有 61 项，而 HTTP/3 中的 QPACK 的静态表扩大到 91 项。

HTTP/2 和 HTTP/3 的 Huffman 编码并没有多大不同，但是动态表编解码方式不同。

所谓的动态表，在首次请求-响应后，双方会将未包含在静态表中的 Header 项更新各自的动态表，接着后续传输时仅用 1 个数字表示，然后对方可以根据这 1 个数字从动态表查到对应的数据，就不必每次都传输长长的数据，大大提升了编码效率。

可以看到，动态表是具有时序性的，如果首次出现的请求发生了丢包，后续的收到请求，对方就无法解码出 HPACK 头部，因为对方还没建立好动态表，因此后续的请求解码会阻塞到首次请求中丢失的数据包重传过来。

HTTP/3 的 QPACK 解决了这一问题，那它是如何解决的呢？

QUIC 会有两个特殊的单向流，所谓的单项流只有一端可以发送消息，双向则指两端都可以发送消息，传输 HTTP 消息时用的是双向流，这两个单向流的用法：

• 一个叫 QPACK Encoder Stream， 用于将一个字典（key-value）传递给对方，比如面对不属于静态表的 HTTP 请求头部，客户端可以通过这个 Stream 发送字典；
• 一个叫 QPACK Decoder Stream，用于响应对方，告诉它刚发的字典已经更新到自己的本地动态表了，后续就可以使用这个字典来编码了。

这两个特殊的单向流是用来同步双方的动态表，编码方收到解码方更新确认的通知后，才使用动态表编码 HTTP 头部。

总结

HTTP/2 虽然具有多个流并发传输的能力，但是传输层是 TCP 协议，于是存在以下缺陷：

• 队头阻塞，HTTP/2 多个请求跑在一个 TCP 连接中，如果序列号较低的 TCP 段在网络传输中丢失了，即使序列号较高的 TCP 段已经被接收了，应用层也无法从内核中读取到这部分数据，从 HTTP 视角看，就是多个请求被阻塞了；
• TCP 和 TLS 握手时延，TCL 三次握手和 TLS 四次握手，共有 3-RTT 的时延；
• 连接迁移需要重新连接，移动设备从 4G 网络环境切换到 WIFI 时，由于 TCP 是基于四元组来确认一条 TCP 连接的，那么网络环境变化后，就会导致 IP 地址或端口变化，于是 TCP 只能断开连接，然后再重新建立连接，切换网络环境的成本高；

HTTP/3 就将传输层从 TCP 替换成了 UDP，并在 UDP 协议上开发了 QUIC 协议，来保证数据的可靠传输。

QUIC 协议的特点：

• 无队头阻塞，QUIC 连接上的多个 Stream 之间并没有依赖，都是独立的，也不会有底层协议限制，某个流发生丢包了，只会影响该流，其他流不受影响；
• 建立连接速度快，因为 QUIC 内部包含 TLS1.3，因此仅需 1 个 RTT 就可以「同时」完成建立连接与 TLS 密钥协商，甚至在第二次连接的时候，应用数据包可以和 QUIC 握手信息（连接信息 + TLS 信息）一起发送，达到 0-RTT 的效果。
• 连接迁移，QUIC 协议没有用四元组的方式来“绑定”连接，而是通过「连接 ID 」来标记通信的两个端点，客户端和服务器可以各自选择一组 ID 来标记自己，因此即使移动设备的网络变化后，导致 IP 地址变化了，只要仍保有上下文信息（比如连接 ID、TLS 密钥等），就可以“无缝”地复用原连接，消除重连的成本；

另外 HTTP/3 的 QPACK 通过两个特殊的单向流来同步双方的动态表，解决了 HTTP/2 的 HPACK 队头阻塞问题。

下图来自又拍云，表示 HTTP/2 和 HTTP/3 多路复用两个请求时，数据包丢失及其影响:

HTTP/2 多路复用 2 个请求。响应被分解为多个数据包，一旦一个数据包丢失了，两个请求都被阻止

HTTP/3 复用 2 个请求。虽然浅色的数据包丢失了，但是深色的数据包传输得很好。

参考：

[HTTP1.0 HTTP1.1 HTTP2.0 主要特性对比](https://segmentfault.com/a/11...)

HTTP/2 相比 1.0 有哪些重大改进？

如何看待 HTTP/3 ？