浅析HTTP/2与HTTP/3的新特性

Posted 2021-04-26 鼎盛中原技术部

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作者简介

谢新方，来自应用开发中心技术平台组。毕业于中南大学，2019年7月加入中原银行信息技术部，负责统一开发平台前端开发相关工作。热爱生活，乐观向上，一位不断学习进步的前端菜鸟；爱好种植、手工、旅游等。

互联网的爆炸式发展给Web及HTTP协议带来了新的挑战。目前，Web页面内容从最初以文本为主，转变为以富媒体为主，如图片、声音、视频等, 且对页面内容实时性要求较高的应用也越来越多，如聊天、视频直播等。目前主流的HTTP/1.1版本规定的某些特性，已无法满足现代网络的需求。相较于HTTP/1.1，2015年HTTP/2.0的出现，大幅度提升了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。但HTTP/2仍存在部分问题，国际互联网工程任务组（IETF）在2018年11月提出，将“HTTP-over-QUIC”实验性协议重命名为HTTP/3，并有望成为HTTP协议的第三个正式版本。

HTTP协议为不断驱动Web快速发展提供了动力，HTTP本身是如何发展的？HTTP/2和HTTP/3又有哪些新特性？它们的现状和未来是怎样的？本文将逐步为大家解答。

HTTP的前世今生

Hypertext Transfer Protocol（超文本传输协议）简称HTTP，它是基于TCP/IP协议的一个应用层协议，用于定义Web浏览器与Web服务器之间交换数据的过程。在客户端连上web服务器后，若想获得Web服务器中的某个资源，需遵守一定的通信格式，HTTP协议用于定义客户端与Web服务器通信的格式。

Web页面是如何呈现的？下图的经典场景（浏览器发起HTTP请求）便描述了这一过程，HTTP协议承担了超文本传输的责任，是完成客户端与服务端交互一系列运作流程的关键。可以说，Web是建立在HTTP协议上通信的。

HTTP的发展经历了以下几个阶段。HTTP诞生之初，其设想的基本理念是：借助多文档之间相互关联形成的超文本，连成可互相参阅的万维网。始于1991年的HTTP/0.9并没有作为正式的标准被建立，直到1996年5月，HTTP/1.0才正式作为标准被公布，1997年又相继公布了HTTP/1.1，由IETF负责进行标准化。1999年，HTTP/1.1开始被广泛应用于现在的各大浏览器网络请求中，成为目前主流的HTTP协议版本，但随着Web的日益变化，继续推出更好的协议的要求也不断增加。于是，2015年出现了HTTP/2，它虽大幅度地提升了Web性能，但仍未完全解决建立连接的延迟等问题。于是IETF提出了基于UDP的低时延互联网传输层协议QUIC（Quick UDP Internet Connection），即HTTP/3的前身，并将其逐步标准化。

HTTP/1.1面临的挑战

近年来，加载网站首页需要下载的数据量逐渐增加，已超过2100K。但我们更应该关心的是：平均每个页面为了完成显示与渲染所需要下载的资源数已经超过了100个。

正如下图所示，自2011年以来, 传输数据大小与平均请求资源数量持续增长（下图绿色直线表示传输数据的增长，红色直线表示平均请求资源数量的增长）。

自1997年发布HTTP/1.1以来，我们已经使用它很长一段时间了，但随着互联网的迅速发展，尤其是网络资源的变化，HTTP/1.1满足不了逐渐变化的需求，暴露出越来越多的缺陷：高延迟，导致页面加载速度降低；无状态特性，带来巨大的HTTP头部；明文传输，导致安全问题等等。

HTTP/2与SPDY协议

考虑到HTTP/1.1的缺陷，我们在工作中会引入雪碧图、将小图内联、使用多个域名等方式来提高性能，但这些优化都绕开了协议，并不能从根本上解决问题。直到2009年，谷歌公开了自行研发的SPDY（speedy）协议，主要解决HTTP/1.1效率不高的问题。谷歌推出SPDY，正式改造了HTTP协议本身。降低延迟，压缩header等等，SPDY的实践证明了这些优化的效果，也最终带来HTTP/2的诞生。

HTTP/1.1有两个主要缺点：安全不足和性能不高。由于背负着 HTTP/1.1 庞大的历史包袱，所以协议的修改，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。如上图所示，SPDY位于HTTP之下，TCP和SSL之上，这样可以轻松兼容老版本的HTTP协议 (将HTTP1.1的内容封装成一种新的frame格式)，同时可以使用已有的SSL功能。

SPDY协议在Chrome浏览器上证明可行后，便被当作HTTP/2的基础，主要特性都在 HTTP/2中得到继承。2015年发布的HTTP/2，它是现行HTTP协议（HTTP/1.1）的替代，但它不是重写，HTTP方法/状态码/语义等都与HTTP/1.1一样。HTTP/2基于SPDY，专注于性能，最大的目标是在用户和网站间只用一个连接。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，并带来了20%~60%的效率提升。

HTTP/2的特性

HTTP/2传输数据量的大幅减少, 主要有两个原因: 以二进制方式传输和Header压缩。

HTTP/2采用二进制格式传输数据，而非HTTP/1.1里纯文本形式的报文，它将请求和响应数据分割为更小的帧，并采用二进制编码，使得解析更为高效。

HTTP/2把TCP协议的部分特性挪到应用层，把原来的"Header + Body"的消息"打散"为多个小片的二进制"帧"(Frame), 用"HEADERS"帧存放头数据，用"DATA" 帧存放实体数据。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“碎片”。HTTP/2的同域名下所有通信都在单个连接上完成，该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重新组装。

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，还采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。

例如下图中的两个请求，请求1发送了所有的头部字段，第二个请求（请求2）则只需要发送差异数据，这样可以减少冗余数据，降低开销。

HTTP/2还引入了多路复用的技术，很好地解决了浏览器限制同一个域名下请求数量的问题，同时也更容易实现全速传输，毕竟新开一个TCP连接都需要慢慢提升传输速度。如下图所示，多路复用技术只通过一个TCP连接就可以传输所有的请求数据。

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时，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）。

HTTP/3与QUIC

HTTP/2相较于HTTP/1.1，大幅度提高了网页的性能，只需升级到该协议，便可减少很多之前需要做的性能优化工作。当然，兼容问题及如何优雅降级，应该是国内还尚未普遍使用的原因之一。虽然HTTP/2解决了很多之前旧版本的问题，但TCP和TCP+TLS建立连接的延时及TCP的队头阻塞等问题，并没有彻底被解决。这是底层支撑的TCP协议造成的，在HTTP/2中并不能得到解决。队头阻塞问题如下图。

规避TCP启动慢的尝试，一直是HTTP协议改善的核心。Google在推出SPDY时，就已经意识到了这些问题，便另起炉灶推出一个基于UDP协议的“QUIC”协议，让HTTP跑在QUIC上，而不是TCP上。这个“HTTP over QUIC”是HTTP协议的下一个大版本HTTP/3，它在HTTP/2的基础上，又实现了质的飞跃，真正“完美”地解决了“队头阻塞”问题。

HTTP/3新特性

QUIC是基于UDP的，而UDP是“无连接”的协议，根本就不需要“握手”和“挥手”，所以比TCP来得快。此外，QUIC实现了可靠传输，保证数据一定能够抵达目的地。它还引入了类似 HTTP/2的“流”和“多路复用”，单个“流”是有序的，可能会因丢包而阻塞，但其他“流”不会受到影响。具体来说，QUIC协议具有以下特点：

（1）实现了类似TCP的流量控制和传输可靠性的功能。 虽然UDP不提供可靠性的传输，但QUIC在UDP的基础之上增加了一层，以保证数据可靠性传输。它提供了数据包重传、拥塞控制及其他TCP中存在的特性。

（2）实现了快速握手功能。 互联网通信发展史也是人们与RTT（Round Trip Time）斗争的历史，减少RTT的时间，便是减少网络传输的时间。由于QUIC是基于UDP的，所以QUIC可以实现使用0-RTT或1-RTT建立连接，这意味着QUIC可以用最快的速度来发送和接收数据，极大提升了首次打开页面的速度。0RTT建立连接可以说是QUIC相比HTTP2最大的性能优势。

（3）集成了TLS加密功能。 目前，QUIC使用的是TLS1.3，相较于早期版本，TLS1.3拥有更多优点，其中最重要的一点是减少了握手所花费的RTT个数。

（4）多路复用，彻底解决TCP中队头阻塞的问题。 与TCP不同的是，QUIC实现了在同一物理连接上可以有多个独立的逻辑数据流（如下图）。实现了数据流的单独传输，便解决了TCP中队头阻塞的问题。

总结

互联网及Web技术的发展日新月异。从最初的静态网页到W3C诞生，再到动态页面、javascript的崛起，作为Web基础的HTTP协议也经历了多个阶段。下一阶段的出现，总是伴随着解决上一阶段的问题，不断优化和改进。

本文并未提及HTTP协议诸如状态码、请求头等具体应用中遇到的细节问题，而是以介绍新协议特性的方式展开。HTTP/1.1是目前使用最为广泛的HTTP协议，HTTP2.0也正处于逐步应用到线上产品和服务的阶段。在未来可能仍会产生需要优化的问题，但基于UDP的HTTP/3解决了网络传输的难题，作为一种新的标准，在传输层提供了更多优势，使用范围也在不断增加，HTTP/3未来可期。作为工程师，我们需要了解这些协议背后的细节，才能打造高性能的网络框架，从而提升我们的产品体验。

参考资料

1.陶辉，《web协议详解与抓包实践》，极客时间。

2.上野宣，《图解HTTP》。

3.Leo Zhang，《HTTP/2相比1.0有哪些重大改进》的回答，知乎。 

4.Sergio De Simone，《HTTP/3的现状：全世界使用服务接近30万》，InfoQ。

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指导：杨朋飞

编辑排版：孙梦、陈伟