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上一篇文章中介绍了HTTP/2的二进制分帧和多路复用的特性，这次来介绍下头部压缩和服务端推送。

HTTP/2新增特性

  • 二进制分帧(HTTP Frames)
  • 多路复用
  • 头部压缩
  • 服务端推送(Server Push)

头部压缩

在HTTP/1.x中，每次HTTP请求都会携带需要的header信息，这些信息以纯文本形式传递，所以每次的请求和响应，都会浪费一些带宽，如果header信息中包含cookie等之类的信息，那么浪费的带宽就更可观了。为了减少带宽开销和提升性能，HTTP/2 使用 HPACK 压缩格式压缩请求和响应标头元数据，这种格式采用两种简单但是强大的技术：

  • 这种格式支持通过静态Huffman 编码对传输的header字段进行编码，从而减小了传输的大小。
  • 这种格式要求客户端和服务器同时维护和更新一个包含之前见过的header字段的索引列表（换句话说，它可以建立一个共享的压缩上下文），此列表随后会用作参考，对之前传输的值进行有效编码。

利用 Huffman 编码，可以在传输时对各个值进行压缩，而利用之前传输值的索引列表，我们可以通过传输索引值的方式对重复值进行编码，索引值可用于有效查询和重构完整的标头键值对。

客户端和服务端都有一个内置的静态表，部分内容如下：

静态表
+-------+-----------------------------+---------------+
| Index | Header Name                 | Header Value  |
+-------+-----------------------------+---------------+
| 1     | :authority                  |               |
| 2     | :method                     | GET           |
| 3     | :method                     | POST          |
| 4     | :path                       | /             |
| 5     | :path                       | /index.html   |
| 6     | :scheme                     | http          |
| 7     | :scheme                     | https         |
| 8     | :status                     | 200           |
| 9     | :status                     | 204           |
| 10    | :status                     | 206           |
| 11    | :status                     | 304           |
| 12    | :status                     | 400           |
| 13    | :status                     | 404           |
| 14    | :status                     | 500           |
| 15    | accept-charset              |               |
| 16    | accept-encoding             | gzip, deflate |
| 17    | accept-language             |               |
...
| 58    | user-agent                  |               |
| 59    | vary                        |               |
| 60    | via                         |               |
| 61    | www-authenticate            |               |
+-------+-----------------------------+---------------+

可以看到，部分静态表已经包含了value，比如 Index=2 的 :method = GET，当客户端发起请求时，如果发起的是GET请求，那么只需要在Header信息中携带一个Index=2的索引即可，服务端收到通过静态表即可查出对应的请求头信息。 在静态表中传输的Header Block是这种格式的：

     0   1   2   3   4   5   6   7
   +---+---+---+---+---+---+---+---+
   | 1 |        Index (7+)         |
   +---+---------------------------+

从图中可以看到，只需要8-bit即可实现一个method的Header传输:

with index

对于静态表中不存在value的值，或者value的值跟想传递的值不一样时，就不能只传递简单的Index了；比如对于:path的头信息，如果要请求的path不在静态表里，就需要用到 Huffman 编码 了。

假设:path的值为/post/20180811-http2_in_go_1.html

     0   1   2   3   4   5   6   7
   +---+---+---+---+---+---+---+---+
   | 0 | 0 | 0 | 0 |  Index (4+)   |
   +---+---+-----------------------+
   | H |     Value Length (7+)     |
   +---+---------------------------+
   | Value String (Length octets)  |
   +-------------------------------+

从图中能看到，占用了25个Byte来传递:path=/post/20180811-http2_in_go_1.html的信息，这个数值比传输明文字符串要节省空间；当然是由于这些字符串普遍在 Huffman 编码 的压缩比较高的字典里，经过编码后会占用较小的空间，如果要传输的都是一个比较奇怪的字符，那么也有可能出现编码后占用的空间比之前还要高。

header without index

那如果我们应用要传输的就是一些奇怪的字符串，难道我们要每次传输比直接更大的值么，其实不然。除了静态表，HPACK 算法还提供了一个 动态表，双方针对每个connection共同维护这个表，这样对于之前未出现过的Header信息，只要传输一次，那么下次大家就都了解了。

比如下边这个user-agent，第一次传输时，Index是从本地静态表获取，传输给服务端后，会把Header Name+Header Value同时更新到本地的动态表里；这样本地和服务端都同时存在一个相同id的动态表了，这里大家都追加到了Index=76的动态表，再次传递时，只要跟静态表的结构一样即可。占用1Byte就ok。

第一次传输：

first indexed for dynamic table

第二次传输：

exists index for dynamic table

最后总结下，用Roberto Peon（HPACK的设计者之一）的话说： “HPACK旨在提供一个一致性的实现使信息量的损失尽可能少，使编解码快速而方便，使接收方能控制压缩文本的大小，允许代理重新建立索引（如，通过代理在前后端共享状态），以及对哈夫曼编码串的更快速比较”

服务端推送(Server Push)

Server Push指的是服务端主动向客户端推送数据，相当于对客户端的一次请求，服务端可以主动返回多次结果。这个功能打破了严格的请求—响应的语义，对客户端和服务端双方通信的互动上，开启了一个崭新的可能性。但是这个推送跟websocket中的推送功能不是一回事，Server Push的存在不是为了解决websocket推送的这种需求。

对我们的web应用来说，举个最简单的例子，有一个index.html页面：

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <link rel="stylesheet" href="push-style.css">
</head>
<body>
  <h1>hello, server push</h1>
  <img src="push-image.png">
</body>
</html>
  • 在HTTP/1.x里，为了展示这个页面，客户端会先发起一次 GET /index.html 的请求，拿到返回结果进行分析后，再发起两个资源的请求，一共是三次请求, 并且有串行的请求存在。
  • 在HTTP/2里，当客户端发起 GET /index.html的请求后，如果服务端进行了Server Push的支持，那么会直接把客户端需要的/index.html和另外两份文件资源一起返回，避免了串行和多次请求的发送。

大家可以看看Go官方给的这个Server Push的例子：

这个功能的实现，主要就依赖于上一篇文章提到的PUSH_PROMISE Frame，所有的推送请求，都是有 PUSH_PROMISE 来发起，服务端通过向客户端在返回正常的Response前，优先发送 PUSH_PROMISE，来表达自己即将为客户端推送的资源，当客户端收到请求后，针对这些资源，就不会再向服务端发起请求。

+---------------+
 |Pad Length? (8)|
 +-+-------------+-----------------------------------------------+
 |R|                  Promised Stream ID (31)                    |
 +-+-----------------------------+-------------------------------+
 |                   Header Block Fragment (*)                 ...
 +---------------------------------------------------------------+
 |                           Padding (*)                       ...
 +---------------------------------------------------------------+

PUSH_PROMISE中，包含了一个Promised Stream ID，这个是服务端承诺向客户端推送相关数据时使用的Stream ID，Header Block中包含资源链接等相关内容。 客户端收到PUSH_PROMISE后，可以选择接受服务器推送的资源，如果客户端发现本地缓存已经存在，不需要服务端再推送，也可以向对应的Stream ID发送RST_STREAM帧，来阻止服务端发送Push.

下边看几张用h2c(不是ClearText的h2c,是一个HTTP/2 Command-Line Client)模拟http2请求的图来看效果，还是访问的上边Go官方给的Server Push的网页：

在发起 GET /serverpush的请求后，收到了服务端发送的PUSH_PROMISE，承诺在2、4、6、8等stream ID的流中给发送相应的资源信息:

然后可以看到，在Stream Id为2、4、6、8的流上开始给客户端发送Header帧和Data帧的数据，顺序不定，同时也在向Get /serverpush这个stream ID=1的流上返回相关的页面信息。

最后，就是各个Stream传输自己的Data数据，直到数据传输完毕，打上END_STREAM的Flag表明流传输结束。

Stream 状态机

说完这两个HTTP/2的特性，对整体概念应该有所了解了，最后说下Stream 状态机，就容易理解了。 这个状态图从客户端和服务端两方面分别来展示的，大家可以先自己看下，图下方有发送标记的解释：


                             +--------+
                     send PP |        | recv PP
                    ,--------|  idle  |--------.
                   /         |        |         \
                  v          +--------+          v
           +----------+          |           +----------+
           |          |          | send H /  |          |
    ,------| reserved |          | recv H    | reserved |------.
    |      | (local)  |          |           | (remote) |      |
    |      +----------+          v           +----------+      |
    |          |             +--------+             |          |
    |          |     recv ES |        | send ES     |          |
    |   send H |     ,-------|  open  |-------.     | recv H   |
    |          |    /        |        |        \    |          |
    |          v   v         +--------+         v   v          |
    |      +----------+          |           +----------+      |
    |      |   half   |          |           |   half   |      |
    |      |  closed  |          | send R /  |  closed  |      |
    |      | (remote) |          | recv R    | (local)  |      |
    |      +----------+          |           +----------+      |
    |           |                |                 |           |
    |           | send ES /      |       recv ES / |           |
    |           | send R /       v        send R / |           |
    |           | recv R     +--------+   recv R   |           |
    | send R /  `----------->|        |<-----------'  send R / |
    | recv R                 | closed |               recv R   |
    `----------------------->|        |<----------------------'
                             +--------+

       send:   endpoint sends this frame
       recv:   endpoint receives this frame

       H:  HEADERS frame (with implied CONTINUATIONs)
       PP: PUSH_PROMISE frame (with implied CONTINUATIONs)
       ES: END_STREAM flag
       R:  RST_STREAM frame

其中,half closed状态，就是进入Server Push后的状态，有一方，其实就是客户端，进入了半开闭状态，这时候它不能通过这个Stream再发送请求的相关数据，只能接受数据，或者选择结束链接。half closed状态可以由idle状态经过两条路径到达:

  • 服务端发送PUSH_PROMISE后发送Header帧信息，使客户端进入半开闭；
  • 客户端通过Header帧向服务端发送数据，并在Header标记END_STREAM的Flag,表明自己期望结束Stream，不再向服务端发送Header或Data的数据，这个时候服务端还没同意关闭Stream，所以服务端是可以向客户端发送数据的。

这里边比较奇怪的就是reserved和half closed两个状态，看起来没有什么区别，通过一个无关紧要的Header帧来触发状态转换。 其实，在Go语言里，对HTTP/2的Stream State的实现，就是把reserved和half closed当做一个状态给合并了。

那么为什么会有这两个状态呢，其实是出于Stream Concurrency并发的限制，在并发限制里，reserved状态不计入活跃状态，不进行限制。这样能达到的一个效果就是，即使Stream并发数达到限制以后，服务端仍然是能向客户端发送PUSH_PROMISE的，能够一定程度的防止PUSH_PROMISE不能发送而导致的客户端竞争请求。

这块我也是简单介绍下，想了解更仔细的话，可以参考这篇文章RFC7540 笔记（四）——More on Stream States。

好了，本次就说这些。下次开始介绍HTTP/2在Go语言中的一些实现和用法。

最后再提供一个HTTP/2开发相关的工具介绍，方便调试和开发：

参考资料：