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來自公眾號：騰訊技術工程

作者：charryhuang，騰訊 CSIG 前端開發(fā)工程師

從 1989 年萬維網（www）誕生，HTTP（HyperText Transfer Protocol）經歷了眾多版本迭代，WebSocket 也在期間萌芽。1991 年 HTTP0.9 被發(fā)明。1996 年出現了 HTTP1.0。2015 年 HTTP2 正式發(fā)布。2020 年 HTTP3 或能正式使用。以下將會簡單介紹。

HTTP1.1 與 HTTP2

HTTP1.1 的缺陷

高延遲 — 隊頭阻塞(Head-Of-Line Blocking)
無狀態(tài)特性 — 阻礙交互
明文傳輸 — 不安全性
不支持服務端推送

隊頭阻塞

隊頭阻塞是指當順序發(fā)送的請求序列中的一個請求因為某種原因被阻塞時，在后面排隊的所有請求也一并被阻塞，會導致客戶端遲遲收不到數據。

針對隊頭阻塞：

1.將同一頁面的資源分散到不同域名下，提升連接上限。雖然能公用一個 TCP 管道，但是在一個管道中同一時刻只能處理一個請求，在當前的請求沒有結束之前，其他的請求只能處于阻塞狀態(tài)。

2.減少請求數量

3.內聯一些資源：css、base64 圖片等

4.合并小文件減少資源數

無狀態(tài)特性

無狀態(tài)是指協議對于連接狀態(tài)沒有記憶能力。純凈的 HTTP 是沒有 cookie 等機制的，每一個連接都是一個新的連接。上一次請求驗證了用戶名密碼，而下一次請求服務器并不知道它與上一條請求有何關聯，換句話說就是掉登錄態(tài)。

不安全性

傳輸內容沒有加密，中途可能被篡改和劫持。

SPDY 協議

SPDY 是由 google 推行的改進版本的 HTTP1.1 （那時候還沒有 HTTP2）。

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特性：

多路復用 — 解決隊頭阻塞
頭部壓縮 — 解決巨大的 HTTP 頭部
請求優(yōu)先級 — 先獲取重要數據
服務端推送 — 填補空缺
提高安全性

多路復用

SPDY 允許在一個連接上無限制并發(fā)流。因為請求在一個通道上，TCP 效率更高（參考 TCP 擁塞控制中的慢啟動）。更少的網絡連接，發(fā)出更密集的包。

頭部壓縮

使用專門的 HPACK 算法，每次請求和響應只發(fā)送差異頭部，一般可以達到 50% ~90% 的高壓縮率。

請求優(yōu)先級

雖然無限的并發(fā)流解決了隊頭阻塞的問題，但如果帶寬受限，客戶端可能會因防止堵塞通道而阻止請求。在網絡通道被非關鍵資源堵塞時，高優(yōu)先級的請求會被優(yōu)先處理。

服務端推送

服務端推送（ServerPush），可以讓服務端主動把資源文件推送給客戶端。當然客戶端也有權利選擇是否接收。

提高安全性

支持使用 HTTPS 進行加密傳輸。

HTTP2

HTTP2 基于 SPDY，專注于性能，最大的一個目標是在用戶和網站間只用一個連接。

新增特性：

二進制分幀 - HTTP2 性能增強的核心
多路復用 - 解決串行的文件傳輸和連接數過多

二進制分幀

首先，HTTP2 沒有改變 HTTP1 的語義，只是在應用層使用二進制分幀方式傳輸。因此，也引入了新的通信單位：幀、消息、流。

分幀有什么好處？服務器單位時間接收到的請求數變多，可以提高并發(fā)數。最重要的是，為多路復用提供了底層支持。

多路復用

一個域名對應一個連接，一個流代表了一個完整的請求-響應過程。幀是最小的數據單位，每個幀會標識出該幀屬于哪個流，流也就是多個幀組成的數據流。多路復用，就是在一個 TCP 連接中可以存在多個流。演示

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HTTP2 的缺陷

TCP 以及 TCP+TLS 建立連接的延時
TCP 的隊頭阻塞并沒有徹底解決
多路復用導致服務器壓力上升
多路復用容易 Timeout

建連延時

TCP 連接需要和服務器進行三次握手，即消耗完 1.5 個 RTT 之后才能進行數據傳輸。

TLS 連接有兩個版本—— TLS1.2 和 TLS1.3，每個版本建立連接所花的時間不同，大致需要 1~2 個 RTT。

RTT（Round-Trip Time）:往返時延。表示從發(fā)送端發(fā)送數據開始，到發(fā)送端收到來自接收端的確認（接收端收到數據后便立即發(fā)送確認），總共經歷的時延。

隊頭阻塞沒有徹底解決

TCP 為了保證可靠傳輸，有一個“超時重傳”機制，丟失的包必須等待重傳確認。HTTP2 出現丟包時，整個 TCP 都要等待重傳，那么就會阻塞該 TCP 連接中的所有請求。

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RTO：英文全稱是 Retransmission TimeOut，即重傳超時時間；RTO 是一個動態(tài)值，會根據網絡的改變而改變。RTO 是根據給定連接的往返時間 RTT 計算出來的。接收方返回的 ack 是希望收到的下一組包的序列號。

多路復用導致服務器壓力上升

多路復用沒有限制同時請求數。請求的平均數量與往常相同，但實際會有許多請求的短暫爆發(fā)，導致瞬時 QPS 暴增。

多路復用容易 Timeout

大批量的請求同時發(fā)送，由于 HTTP2 連接內存在多個并行的流，而網絡帶寬和服務器資源有限，每個流的資源會被稀釋，雖然它們開始時間相差更短，但卻都可能超時。

即使是使用 Nginx 這樣的負載均衡器，想正確進行節(jié)流也可能很棘手。其次，就算你向應用程序引入或調整排隊機制，但一次能處理的連接也是有限的。如果對請求進行排隊，還要注意在響應超時后丟棄請求，以避免浪費不必要的資源。引用

QUIC

簡介

Google
在推 SPDY 的時候就已經意識到了這些問題，于是就另起爐灶搞了一個基于 UDP 協議的 QUIC 協議。而這個就是 HTTP3。它真正“完美”地解決了“隊頭阻塞”問題。

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主要特點

改進的擁塞控制、可靠傳輸
快速握手
集成了 TLS 1.3 加密
多路復用
連接遷移

改進的擁塞控制、可靠傳輸

從擁塞算法和可靠傳輸本身來看，QUIC 只是按照 TCP 協議重新實現了一遍，那么 QUIC 協議到底改進在哪些方面呢？主要有如下幾點：

1. 可插拔 — 應用程序層面就能實現不同的擁塞控制算法。

一個應用程序的不同連接也能支持配置不同的擁塞控制。應用程序不需要停機和升級就能實現擁塞控制的變更，可以針對不同業(yè)務，不同網絡制式，甚至不同的 RTT，使用不同的擁塞控制算法。

關于應用層的可插拔擁塞控制模擬，可以對 socket 上的流為對象進行實驗。

2. 單調遞增的 Packet Number — 使用 Packet Number 代替了 TCP 的 seq。

每個 Packet Number 都嚴格遞增，也就是說就算 Packet N 丟失了，重傳的 Packet N 的 Packet Number 已經不是 N，而是一個比 N 大的值。而 TCP 重傳策略存在二義性，比如客戶端發(fā)送了一個請求，一個 RTO 后發(fā)起重傳，而實際上服務器收到了第一次請求，并且響應已經在路上了，當客戶端收到響應后，得出的 RTT 將會比真實 RTT 要小。當 Packet N 唯一之后，就可以計算出正確的 RTT。

3. 不允許 Reneging — 一個 Packet 只要被 Ack，就認為它一定被正確接收。

Reneging 的意思是，接收方有權把已經報給發(fā)送端 SACK（Selective Acknowledgment）里的數據給丟了（如接收窗口不夠而丟棄亂序的包）。

QUIC 中的 ACK 包含了與 TCP 中 SACK 等價的信息，但 QUIC 不允許任何（包括被確認接受的）數據包被丟棄。這樣不僅可以簡化發(fā)送端與接收端的實現難度，還可以減少發(fā)送端的內存壓力。

4. 前向糾錯（FEC）

早期的 QUIC 版本存在一個丟包恢復機制，但后來由于增加帶寬消耗和效果一般而廢棄。FEC 中，QUIC 數據幀的數據混合原始數據和冗余數據，來確保無論到達接收端的 n 次傳輸內容是什么，接收端都能夠恢復所有 n 個原始數據包。FEC 的實質就是異或。示意圖：

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5. 更多的 Ack 塊和增加 Ack Delay 時間。

QUIC 可以同時提供 256 個 Ack Block，因此在重排序時，QUIC 相對于 TCP（使用 SACK）更有彈性，這也使得在重排序或丟失出現時，QUIC 可以在網絡上保留更多的在途字節(jié)。在丟包率比較高的網絡下，可以提升網絡的恢復速度，減少重傳量。

TCP 的 Timestamp 選項存在一個問題：發(fā)送方在發(fā)送報文時設置發(fā)送時間戳，接收方在確認該報文段時把時間戳字段值復制到確認報文時間戳，但是沒有計算接收端接收到包到發(fā)送 Ack 的時間。這個時間可以簡稱為 Ack Delay，會導致 RTT 計算誤差。現在就是把這個東西加進去計算 RTT 了。

6. 基于 stream 和 connection 級別的流量控制。

為什么需要兩類流量控制呢？主要是因為 QUIC 支持多路復用。Stream 可以認為就是一條 HTTP 請求。Connection 可以類比一條 TCP 連接。多路復用意味著在一條 Connetion 上會同時存在多條 Stream。

QUIC 接收者會通告每個流中最多想要接收到的數據的絕對字節(jié)偏移。隨著數據在特定流中的發(fā)送，接收和傳送，接收者發(fā)送 WINDOW_UPDATE 幀，該幀增加該流的通告偏移量限制，允許對端在該流上發(fā)送更多的數據。

除了每個流的流控制外，QUIC 還實現連接級的流控制，以限制 QUIC 接收者愿意為連接分配的總緩沖區(qū)。連接的流控制工作方式與流的流控制一樣，但傳送的字節(jié)和最大的接收偏移是所有流的總和。

最重要的是，我們可以在內存不足或者上游處理性能出現問題時，通過流量控制來限制傳輸速率，保障服務可用性。

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快速握手

由于 QUIC 是基于 UDP 的，所以 QUIC 可以實現 0-RTT 或者 1-RTT 來建立連接，可以大大提升首次打開頁面的速度。

集成了 TLS 1.3 加密

TLS 1.3 支持 3 種基本密鑰交換模式：

(EC)DHE (基于有限域或橢圓曲線的 Diffie-Hellman)
PSK - only
PSK with (EC)DHE

在完全握手情況下，需要 1-RTT 建立連接。TLS1.3 恢復會話可以直接發(fā)送加密后的應用數據，不需要額外的 TLS 握手，也就是 0-RTT。

TLS 1.3 0-RTT 簡單原理示意（基于 DHE）：

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但是 TLS1.3 也并不完美。TLS 1.3 的 0-RTT 無法保證前向安全性(Forward secrecy)。簡單講就是，如果當攻擊者通過某種手段獲取到了 Session Ticket Key，那么該攻擊者可以解密以前的加密數據。

要緩解該問題可以通過設置使得與 Session Ticket Key 相關的 DH 靜態(tài)參數在短時間內過期（一般幾個小時）。

多路復用

QUIC 是為多路復用從頭設計的，攜帶個別流的的數據的包丟失時，通常只影響該流。QUIC 連接上的多個 stream 之間并沒有依賴，也不會有底層協議限制。假如 stream2 丟了一個包，也只會影響 stream2 的處理。

連接遷移

TCP 是按照 4 要素（客戶端 IP、端口, 服務器 IP、端口）確定一個連接的。而 QUIC 則是讓客戶端生成一個 Connection ID （64 位）來區(qū)別不同連接。只要 Connection ID 不變，連接就不需要重新建立，即便是客戶端的網絡發(fā)生變化。由于遷移客戶端繼續(xù)使用相同的會話密鑰來加密和解密數據包，QUIC 還提供了遷移客戶端的自動加密驗證。

挑戰(zhàn)

NAT 問題

NAT 概念

為了解決 IP 地址不足的問題，NAT 給一個局域網絡只分配一個 IP 地址，這個網絡內的主機，則分配私有地址，這些私有地址對外是不可見的，他們對外的通信都要借助那個唯一分配的 IP 地址。所有離開本地網絡去往 Internet 的數據報的源 IP 地址需替換為相同的 NAT，區(qū)別僅在于端口號不同。