gRPC之流式调用原理http2协议分析

Posted 2021-04-11 技术人技术事

HTTP/1协议回顾

• HTTP(Hypertext transfer protocol)超文本传输协议

• HTTP协议在7层传输架构中属于应用层协议，其依赖TCP协议

• HTTP协议由请求和响应两部分组成，是一个标准的客户端服务器模型

• HTTP默认端口号80，https默认端口号443

• HTTP是一个无状态的面向连接的协议，无状态不代表HTTP不能保持长连接，无状态指的是HTTP不具备事务记忆能力，也就是下一次的请求不会记住上一次的请求信息。

• HTTP协议0.9和1.0版本使用非持续性连接，也就是一次请求一次响应，连接就会关闭，而从HTTP协议1.1开始，默认开启了Keep-Alive，保持长连接，就是说一次请求结束后，连接不会马上关闭，下一次请求会继续使用这个连接，但长连接不代表一直不关闭，一段时间后这个连接就会关闭。

HTTP的请求和响应分别都有请求行/响应行，首部，实体组成的，如下图

HTTP2协议分析

什么是HTTP2

• HTTP / 2并不是对HTTP协议的重写，相对于HTTP / 1，HTTP / 2的侧重点主要在性能。请求方法，状态码和语义和HTTP / 1都是相同的，可以使用与HTTP / 1.x相同的API（可能有一些小的添加）来表示协议。

• HTTP / 2主要有两个规范组成

1. Hypertext Transfer Protocol version 2 (超文本传输协议版本2)

2. HPACK - HTTP / 2的头压缩 （HPACK是一种头部压缩算法）

• 这两个规范的连接如下

• https://httpwg.org/specs/rfc7540.html （第一个）

• https://httpwg.github.io/specs/rfc7541.html （第二个）

HTTP2中的一些概念

• 帧：数据通信的最小信息单位

• 流：存在与TCP连接中的一个虚拟通道（双向的，能往过流，也能往回流）

HTTP2的特性

• HTTP / 2支持HTTP / 1.1的所有核心功能，但旨在通过多种方式提高效率

• HTTP/2采用二进制传输数据，而非HTTP/1的文本格式传输

• HTTP / 2基本协议单元是帧，比如head（头部信息）帧,data（传输数据细信息）帧

• HTTP / 2使用流技术支持多路复用，也就是说提供了在单个连接上复用HTTP请求和响应的能力， 多个请求或响应可以同时在一个连接上使用流.

• HTTP / 2支持压缩头部帧，允许将多个请求压缩成成一个分组,而且在客户端和服务器端分别头部信息建立索引，相同的表头只需要传输索引就可以。

• HTTP / 2支持对请求划分优先级（就是流的优先级）

• HTTP / 2支持Server Push技术

• 下面一张图来对比HTTP/1和HTTP/2的请求过程：

• 由图得知，发送3个请求，在HTTP/1中是按照顺序，一起请求，一次响应，而HTTP/2协议可以做到在一个TCP连接中并行执行，而不用按照顺序一对一。

HTTP2的原理

多路复用

• HTTP/2 将每一个请求变成流，每一个流都有自己的ID，有自己的优先级，这些流可以由客户端发送到服务端，也可以由服务端发送到客户端，将数据划分为帧，头部信息为head帧，实体信息为data帧，最后将这些流乱序发送到一个TCP连接中，如下图：

• HTTP/2中，在一个浏览器同域名下的所有请求都是在单个连接中完成，这个连接可以承载任意数量的双向数据流，每个数据流都以消息的形式发送，而消息又由一个或多个帧组成，多个帧之间可以乱序发送，根据帧首部的流标识可以将多个帧重新组装成一个流。

• 在HTTP/1中，如果想并发发送多个请求，必须创建多个TCP连接，而且浏览器为了减少负载，会对同一域名下的TCP连接做限制，这样当请求量比较大时，会引起阻塞，如下图，Stalled 阻塞已经达到159ms了.

服务器推送

• HTTP /1中客户端往服务端发送请求严格遵守一个请求，一个响应，比如客户端请求展示网页时，服务端发挥HTML内容，浏览器解析时发送css，js请求，服务端又返回css，js文件，那么服务端为什么不能在返回网页时就推送css，js内容给客户端呢，在HTTP /2中这已功能已经支持，

• 服务端主动推送也会遵守同源策略，不会随便推送第三方的资源到客户端

• 如果服务端推送资源是呗客户端缓存过的，客户端是有权力拒绝服务端的推送的，浏览器可以通过发送RST_STREAM帧来拒收。

• 每一个服务端推送的资源都是一个流

头部压缩

• HTTP /1的请求头较大，而且是以纯文本发送，HTTP/2对消息头进行了压缩，采用的是HACK算法，能够节省消息头占用的网络流量，其主要是在两端建立了索引表，消息头在传输时可以采用索引，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。

• HACK算法可以参考: https://www.zcfy.cc/article/1969

帧的描述

• 所有帧都以固定的9字节头开头，后跟可变长度的有效载荷，组成如下：

• 长度：帧有效负载的长度表示为无符号的24位整数

• 类型：8位类型的帧,帧类型确定帧的格式和语义

• 标志：为特定于帧类型的布尔标志保留的8位字段

• R：保留的1位字段。该位的语义未定义

• 流标识符：流标识符，表示为无符号31位整数，客户端发起流标识符必须时奇数，服务端发起的流标识符必须是偶数

9字节总共是：9 * 8 = 72位 上面的描述 24 + 8 + 8 +1 + 31 = 72位

gRPC和HTTP2的关系

• gRPC设计时的初衷：gRPC的设计目标是在任何环境下运行，支持可插拔的负载均衡，跟踪，运行状况检查和身份验证。它不仅支持数据中心内部和跨数据中心的服务调用，它也适用于分布式计算的最后一公里，将设备，移动应用程序和浏览器连接到后端服务，同时，它也是高性能的，而HTTP /2恰好支持这些。

• HTTP /2天然的通用性满足各种设备，场景

• HTTP /2的性能相对来说也是很好的，除非你需要极致的性能

• HTTP /2的安全性非常好，天然支持SSL

• HTTP /2的鉴权也非常成熟

• gRPC基于HTTP /2多语言实现也更容易

参考文章

• https://httpwg.org/specs/rfc7540.html#StreamIdentifiers

• https://www.jianshu.com/p/67c541a421f9

• https://www.cnblogs.com/upyun/p/6775134.html