HTTP 2.0与OkHttp

HTTP 2.0 是对1.x的扩展而非替代,之所以是“2.0”,是因为它改变了客户端与服务器之间交换数据的方式。 HTTP 2.0 增加了新的二进制分帧数据层,而这一层并不兼容之前的 HTTP 1.x 服务器及客户端——是谓2.0。 在正式介绍 HTTP 2.0 之前,我们需要先了解几个概念。

  • 流,已建立的连接上的双向字节流。
  • 消息,与逻辑消息( RequestResponse )对应的完整的一系列数据帧。
  • 帧, HTTP 2.0 通信的最小单位,如 Header 帧(存储的是 Header )、 DATA 帧(存储的是发送的内容或者内容的一部分)。

1、HTTP 2.0简介

总所周知, HTTP 1.x 拥有队首阻塞、不支持多路复用、 Header 无法压缩等诸多缺点。尽管针对这些缺点也提出了很多解决方案,如长连接、连接与合并请求、HTTP管道等,但都治标不治本,直到 HTTP 2.0 的出现,它新增的以下设计从根本上解决了 HTTP 1.x 所面临的诸多问题。

  • 二进制分帧层 ,是 HTTP 2.0 性能增强的核心,改变了客户端与服务器之间交互数据的方式,将传输的信息( HeaderBody 等)分割为更小的消息和帧,并采用二进制格式的编码。
  • 并行请求与响应 ,客户端及服务器可以把 HTTP 消息分解为互不依赖的帧,然后乱序发送,最后再在另一端把这些消息组合起来。
  • 请求优先级(0表示最高优先级、 -1表示最低优先级) ,每个流可以携带一个优先值,有了这个优先值,客户端及服务器就可以在处理不同的流时采取不同的策略,以最优的方式发送流、消息和帧。但优先级的处理需要慎重,否则有可能会引入队首阻塞问题。
  • TCP连接HTTP 2.0 可以让所有数据流共用一个连接,从而更有效的使用 TCP 连接
  • 流量控制 ,控制每个流占用的资源,与 TCP 的流量控制实现是一模一样的。
  • 服务器推送HTTP 2.0 可以对一个客户端请求发送多个响应,即除了最初请求响应外,服务器还可以额外的向客户端推送资源,而无需客户端明确地请求。
  • 首部(Header)压缩HTTP 2.0 会在客户端及服务器使用“首部表”来跟踪和存储之前发送的键-值对,对于相同的数据,不会再通过每次请求和响应发送。首部表在连接存续期间始终存在,由客户端及服务器共同渐进的更新。每个新的首部键-值对要么追加到当前表的末尾,要么替换表中的值。

虽然 HTTP 2.0 解决了1.x中的诸多问题,但它也存在以下问题。

  • 虽然消除了 HTTP 队首阻塞现象,但 TCP 层次上仍然存在队首阻塞现象。要想彻底解决这个问题,就需要彻底抛弃 TCP ,自己来定义协议。可以参考谷歌的QUIC。
  • 如果 TCP 窗口缩放被禁用,那宽带延迟积效应可能会限制连接的吞吐量。
  • 丢包时, TCP 拥塞窗口会缩小

2、二进制分帧简介

HTTP 2.0 的根本改进还是新增的二进制分帧层。与 HTTP 1.x 使用换行符分割纯文本不同,二进制分帧层更加简介,通过代码处理起来更简单也更有效。

HTTP 2.0与OkHttp


图片来自HTTP/2 简介

建立了 HTTP 2.0 连接后,客户端与服务器会通过交换帧来通信,帧也是基于这个新协议通信的最小单位。所有帧都共享一个8字节的首部,其中包括帧的长度、类型、标志,还有一个保留位和一个31位的流标识符。

HTTP 2.0与OkHttp


共有的8字节帧首部

HTTP 2.0

HTTP 2.0 规定了以下的帧类型。

  • DATA ,用于传输 HTTP 消息体
  • HEADERS ,用于传输关于流的额外的首部字段( Header
  • PRIORITY ,用于指定或者重新指定流的优先级
  • RST_STREAM ,用于通知流的非正常终止
  • SETTINGS ,用于通知两端通信方式的配置数据
  • PUSH_PROMISE ,用于发出创建流和服务器引用资源的要约
  • PING ,用于计算往返时间,执行“活性”检查
  • GOAWAY ,用于通知客户端/服务器停止在当前连接中创建流
  • WINDOW_UPDATE ,用于针对个别流或者个别连接实现流量控制
  • CONTINUATION ,用于继续一系列首部块片段

2.1、HEADER帧

在发送应用数据之前,必须创建一个新流并随之发送相应的元数据,比如流的优先级、HTTP首部等。 HTTP 2.0 协议规定客户端和服务器都可以发起新流,因此有以下两种可能。

  • 客户端通过发送 HEADERS 帧来发起新流,这个帧里包含带有新流ID的公用首部、可选的31位优先值,以及一组 HTTP 键值对首部
  • 服务器通过发送 PUSH_PROMISE 帧来发起推送流,这个帧与 HEADER 帧等效,但它包含“要约流ID”,没有优先值
HTTP 2.0与OkHttp


带优先值得HEADERS帧

2.2、DATA帧

应用数据可以分为多个DATA帧,最后一帧要翻转帧首部的 END_STREAM 字段。

HTTP 2.0与OkHttp


DATA帧

数据净荷不会被另行编码或压缩。DATA帧的编码方式取决于应用或者服务器,纯文本、gzip压缩、图片或者视频压缩格式都可以。整个帧由公用的8字节首部及HTTP净荷组成。 从技术上说,DATA帧的长度字段决定了每帧的数据净荷最多可达 -1(65535)字节。可是,为了减少队首阻塞, HTTP 2.0 标准要求DATA帧不能超过 (16383)字节。长度超过这个阀值的数据,就得分帧发送。

3、HTTP 2.0在OKHttp中的应用

HTTP 2.0 是通过 RealConnectionstartHttp2 方法开启的,在该方法中会创建一个 Http2Connection 对象,然后调用 Http2Connectionstart 方法。

private void startHttp2(int pingIntervalMillis) throws IOException {
    socket.setSoTimeout(0); // HTTP/2 connection timeouts are set per-stream.
    //创建Http2Connection对象
    http2Connection = new Http2Connection.Builder(true)
        .socket(socket, route.address().url().host(), source, sink)
        .listener(this)
        .pingIntervalMillis(pingIntervalMillis)
        .build();
    //开启HTTP 2.0
    http2Connection.start();
  }
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start 方法中会首先给服务器发送一个字符串 PRI * HTTP/2.0/r/n/r/nSM/r/n/r/n 来进行协议的最终确定,并用于建立 HTTP/2 连接的初始设置。然后给服务器发送一个 SETTINGS 类型的 Header 帧,该帧主要是将客户端每一帧的最大容量、 Header 表的大小、是否开启推送等信息告诉给服务器。如果 Window 的大小发生改变,就还需要更新 Window 的大小( HTTP 2.0 的默认窗口大小为 64KB ,而客户端则需要将该大小改为 16M ,从而避免频繁的更新)。最后开启一个子线程来读取从服务器返回的数据。

public void start() throws IOException {
    start(true);
  }
  void start(boolean sendConnectionPreface) throws IOException {
    if (sendConnectionPreface) {
      //发送一个字符串PRI * HTTP/2.0/r/n/r/nSM/r/n/r/n来进行协议的最终确定,即序言帧
      writer.connectionPreface();
      //告诉服务器本地的配置信息
      writer.settings(okHttpSettings);
      //okHttpSetting中Window的大小是设置为16M
      int windowSize = okHttpSettings.getInitialWindowSize();
      //默认是64kb,但如果在客户端则需要重新设置为16M
      if (windowSize != Settings.DEFAULT_INITIAL_WINDOW_SIZE) {
        //更新窗口大小
        writer.windowUpdate(0, windowSize - Settings.DEFAULT_INITIAL_WINDOW_SIZE);
      }
    }
    //子线程监听服务器返回的消息
    new Thread(readerRunnable).start(); // Not a daemon thread.
  }

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ReaderRunnable 的名称就可以看出它是用来读取从服务器返回的各种类型数据。

class ReaderRunnable extends NamedRunnable implements Http2Reader.Handler {
    ...

    @Override protected void execute() {
      ErrorCode connectionErrorCode = ErrorCode.INTERNAL_ERROR;
      ErrorCode streamErrorCode = ErrorCode.INTERNAL_ERROR;
      try {
        //读取服务器返回的序言帧
        reader.readConnectionPreface(this);
        //不断的读取下一帧,所有消息从这里开始分发
        while (reader.nextFrame(false, this)) {
        }
        connectionErrorCode = ErrorCode.NO_ERROR;
        streamErrorCode = ErrorCode.CANCEL;
      } catch (IOException e) {
        ...
      } finally {
        ...
      }
    }
    //读取返回的DATA类型数据
    @Override public void data(boolean inFinished, int streamId, BufferedSource source, int length)
        throws IOException {...}
    //读取返回的HEADERS类型数据
    @Override public void headers(boolean inFinished, int streamId, int associatedStreamId,
        List<Header> headerBlock) {...}
    //读取返回的RST_TREAM类型数据   
    @Override public void rstStream(int streamId, ErrorCode errorCode) {...}
    //读取返回的SETTINGS类型数据
    @Override public void settings(boolean clearPrevious, Settings newSettings) {...}
    //回复服务器返回的ackSettings
    private void applyAndAckSettings(final Settings peerSettings) ...}
    //恢复客户端发送的SETTING数据,客户端默认不实现
    @Override public void ackSettings() {...}
    //读取返回的PING类型数据
    @Override public void ping(boolean reply, int payload1, int payload2) {...}
    //读取服务器返回的GOAWAY类型数据
    @Override public void goAway(int lastGoodStreamId, ErrorCode errorCode, ByteString debugData) {...}
    //读取服务器返回的WINDOW_UPDATE类型数据
    @Override public void windowUpdate(int streamId, long windowSizeIncrement) {...}
    //读取服务器返回的PRIORITY类型数据
    @Override public void priority(int streamId, int streamDependency, int weight,
        boolean exclusive) {...}
    //读取返回的PUSH_PROMISE类型数据
    @Override
    public void pushPromise(int streamId, int promisedStreamId, List<Header> requestHeaders) {... }
    //备用Service
    @Override public void alternateService(int streamId, String origin, ByteString protocol,
        String host, int port, long maxAge) {...}
  }
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上面简述了在 OkHttp 中如何开启 HTTP 2.0 协议。下面就来介绍客户端与服务器通过 HTTP 2.0 协议来进行数据读写操作。

3.1、向服务器写入Headers

向服务器写入 Header 是通过 httpCodec.writeRequestHeaders(request) 来实现的, httpCodecHTTP 2.0 协议下的实现类是 Http2CodecwriteRequestHeaders 方法主要是创建一个新流 Http2Stream ,在这个流创建成功后就会向服务器发送 Headers 类型数据。

boolean hasRequestBody = request.body() != null;
    List<Header> requestHeaders = http2HeadersList(request);
    //创建新流
    stream = connection.newStream(requestHeaders, hasRequestBody);
    //我们可能在创建新流并发送Headers时被要求取消,但仍然没有要关闭的流。
    if (canceled) {
      stream.closeLater(ErrorCode.CANCEL);
      throw new IOException("Canceled");
    }
    ...
  }
  //以下方法在Http2Connection类中
  public Http2Stream newStream(List<Header> requestHeaders, boolean out) throws IOException {
    return newStream(0, requestHeaders, out);
  }

  private Http2Stream newStream(
      int associatedStreamId, List<Header> requestHeaders, boolean out) throws IOException {
    ...
    synchronized (writer) {
      synchronized (this) {
        //每个TCP连接的流数量不能超过Integer.MAX_VALUE
        if (nextStreamId > Integer.MAX_VALUE / 2) {
          shutdown(REFUSED_STREAM);
        }
        if (shutdown) {
          throw new ConnectionShutdownException();
        }
        //每个流的ID
        streamId = nextStreamId;
        //下一个流的ID是在当前流ID基础上加2
        nextStreamId += 2;
        //创建新流
        stream = new Http2Stream(streamId, this, outFinished, inFinished, null);
        flushHeaders = !out || bytesLeftInWriteWindow == 0L || stream.bytesLeftInWriteWindow == 0L;
        if (stream.isOpen()) {
          streams.put(streamId, stream);
        }
      }
      if (associatedStreamId == 0) {
        //向服务器写入Headers
        writer.headers(outFinished, streamId, requestHeaders);
      } else if (client) {
        throw new IllegalArgumentException("client streams shouldn't have associated stream IDs");
      } else {//用于服务器
        writer.pushPromise(associatedStreamId, streamId, requestHeaders);
      }
    }
    //刷新
    if (flushHeaders) {
      writer.flush();
    }

    return stream;
  }
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在客户端,流的ID是从3开始的所有奇数,在服务器,流的ID则是所有偶数。在 Http2Connection 的构造函数中定义了定义了流ID的初始值。

Http2Connection(Builder builder) {
    ....
    //如果是客户端,流的ID则从1开始
    nextStreamId = builder.client ? 1 : 2;
    if (builder.client) {
      //在HTTP2中,1保留,用于升级
      nextStreamId += 2;
    }
    ...
  }
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3.2、读取服务器返回的Headers

readResponseHeaders 是从服务器读取 Headers 数据,该方法在 Http2Codec 中。

@Override public Response.Builder readResponseHeaders(boolean expectContinue) throws IOException {
    //从流中拿到Headers信息,
    Headers headers = stream.takeHeaders();
    Response.Builder responseBuilder = readHttp2HeadersList(headers, protocol);
    if (expectContinue && Internal.instance.code(responseBuilder) == HTTP_CONTINUE) {
      return null;
    }
    return responseBuilder;
  }
  //该方法在Http2Stream中
  public synchronized Headers takeHeaders() throws IOException {
    readTimeout.enter();
    try {
      //如果队列中没有数据就等待
      while (headersQueue.isEmpty() && errorCode == null) {
        waitForIo();
      }
    } finally {
      readTimeout.exitAndThrowIfTimedOut();
    }
    //从队列中拿到Headers数据
    if (!headersQueue.isEmpty()) {
      return headersQueue.removeFirst();
    }
    throw new StreamResetException(errorCode);
  }
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headersQueue 是一个双端队列,它主要是存储服务器返回的 Headers 。当服务器返回 Headers 时,就会更新该链表。

3.3、读/写Body

在创建流的时候,都会创建一个 FramingSinkFramingSource 对象。 FramingSink 用来向服务器写入数据, FramingSource 则读取服务器返回的数据。因此关于读/写 Body 其实就是对 Okio 的运用,不熟悉 Okio 的可以先去了解一下Okio的知识。

//向服务器写数据
  final class FramingSink implements Sink {
    private static final long EMIT_BUFFER_SIZE = 16384;

    ...
    @Override public void write(Buffer source, long byteCount) throws IOException {
      assert (!Thread.holdsLock(Http2Stream.this));
      sendBuffer.write(source, byteCount);
      while (sendBuffer.size() >= EMIT_BUFFER_SIZE) {
        emitFrame(false);
      }
    }

    //
    private void emitFrame(boolean outFinished) throws IOException {
      ...
      try {
        //向服务器写入DATA类型数据
        connection.writeData(id, outFinished && toWrite == sendBuffer.size(), sendBuffer, toWrite);
      } finally {
        writeTimeout.exitAndThrowIfTimedOut();
      }
    }
    ...
  }
  //从服务器读取数据
  private final class FramingSource implements Source {
    //将从网络读取的数据写入该Buffer,仅供读线程访问
    private final Buffer receiveBuffer = new Buffer();

    //可读buffer
    private final Buffer readBuffer = new Buffer();

    //缓冲的最大字节数
    private final long maxByteCount;

    ...
    //从receiveBuffer中读取数据
    @Override public long read(Buffer sink, long byteCount) throws IOException {...}
    ...
    //接收服务器传递的数据,仅在ReaderRunnable中调用
    void receive(BufferedSource in, long byteCount) throws IOException {...}
    ...
  }
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3.4、Http2Reader与Http2Writer

前面介绍了从服务器读写数据,但无论如何都离不开 Http2ReaderHttp2Writer 这两个类,毕竟这两个类才是真正向服务器执行读写操作的。先来看向服务器写数据。

final class Http2Writer implements Closeable {
  ...

  //写入序言帧,来进行协议的最终确定
  public synchronized void connectionPreface() throws IOException {...}

  //发送PUSH_PROMISE类型数据
  public synchronized void pushPromise(int streamId, int promisedStreamId,
      List<Header> requestHeaders) throws IOException {...}
  ...
  //发送RST_TREAM类型数据   
  public synchronized void rstStream(int streamId, ErrorCode errorCode)
      throws IOException {...}

  

  //发送DATA类型数据
  public synchronized void data(boolean outFinished, int streamId, Buffer source, int byteCount)
      throws IOException {...}

  //发送SETTINGS类型数据
  public synchronized void settings(Settings settings) throws IOException {...}

  //发送PING类型数据
  public synchronized void ping(boolean ack, int payload1, int payload2) throws IOException {...}

  //发送GOAWAY类型数据
  public synchronized void goAway(int lastGoodStreamId, ErrorCode errorCode, byte[] debugData)
      throws IOException {...}

  //发送WINDOW_UPDATE类型数据,进行Window更新
  public synchronized void windowUpdate(int streamId, long windowSizeIncrement) throws IOException {...}
  //发送HEADERS类型数据
  public void frameHeader(int streamId, int length, byte type, byte flags) throws IOException {...}

  @Override public synchronized void close() throws IOException {
    closed = true;
    sink.close();
  }

  ...
  //写入CONTINUATION类型数据
  private void writeContinuationFrames(int streamId, long byteCount) throws IOException {...}
  //写入headers
  void headers(boolean outFinished, int streamId, List<Header> headerBlock) throws IOException {...}
}
复制代码

下面再来看看从服务器读数据,基本上就是根据数据的类型来进行分发。

final class Http2Reader implements Closeable {
  ...
  //读取数据
  public boolean nextFrame(boolean requireSettings, Handler handler) throws IOException {
    try {
      source.require(9); // Frame header size
    } catch (IOException e) {
      return false; // This might be a normal socket close.
    }

    //  0                   1                   2                   3
    //  0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
    // +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
    // |                 Length (24)                   |
    // +---------------+---------------+---------------+
    // |   Type (8)    |   Flags (8)   |
    // +-+-+-----------+---------------+-------------------------------+
    // |R|                 Stream Identifier (31)                      |
    // +=+=============================================================+
    // |                   Frame Payload (0...)                      ...
    // +---------------------------------------------------------------+
    int length = readMedium(source);
    if (length < 0 || length > INITIAL_MAX_FRAME_SIZE) {
      throw ioException("FRAME_SIZE_ERROR: %s", length);
    }
    byte type = (byte) (source.readByte() & 0xff);
    if (requireSettings && type != TYPE_SETTINGS) {
      throw ioException("Expected a SETTINGS frame but was %s", type);
    }
    byte flags = (byte) (source.readByte() & 0xff);
    int streamId = (source.readInt() & 0x7fffffff); // Ignore reserved bit.
    if (logger.isLoggable(FINE)) logger.fine(frameLog(true, streamId, length, type, flags));
    //这里的handler是ReaderRunnable对象
    switch (type) {
      case TYPE_DATA:
        readData(handler, length, flags, streamId);
        break;

      case TYPE_HEADERS:
        readHeaders(handler, length, flags, streamId);
        break;

      case TYPE_PRIORITY:
        readPriority(handler, length, flags, streamId);
        break;

      case TYPE_RST_STREAM:
        readRstStream(handler, length, flags, streamId);
        break;

      case TYPE_SETTINGS:
        readSettings(handler, length, flags, streamId);
        break;

      case TYPE_PUSH_PROMISE:
        readPushPromise(handler, length, flags, streamId);
        break;

      case TYPE_PING:
        readPing(handler, length, flags, streamId);
        break;

      case TYPE_GOAWAY:
        readGoAway(handler, length, flags, streamId);
        break;

      case TYPE_WINDOW_UPDATE:
        readWindowUpdate(handler, length, flags, streamId);
        break;

      default:
        // Implementations MUST discard frames that have unknown or unsupported types.
        source.skip(length);
    }
    return true;
  }
  ...
}
复制代码

Http2ReaderHttp2Writer 中都是以帧的形式(二进制)来读取或者写入数据的,这样相对字符串效率会更高,当然,我们还可以用哈夫曼算法( OkHttp 支持哈夫曼算法)来对帧进行压缩,从而获得更好的性能。 记得在 HTTP 1.x 协议下的网络优化就有用 Protocol Buffer (二进制)来替代字符串传递这一个选择,而如果用 HTTP 2.0 则无需使用 Protocol Buffer

原文 

https://juejin.im/post/5c789dbce51d451ecc2028e7

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