MK
摩柯社区 - 一个极简的技术知识社区
AI 面试

HTTP/2协议的性能优化与实战案例

2022-09-138.0k 阅读

HTTP/2协议概述

HTTP/2是HTTP协议的一次重大升级，旨在解决HTTP/1.1存在的性能问题。HTTP/1.1在高并发场景下，由于队头阻塞（Head - of - Line Blocking）等问题，会导致性能瓶颈。HTTP/2采用二进制分帧层，将所有传输的信息分割为更小的消息和帧，并对它们采用二进制格式的编码，相比HTTP/1.1的文本格式，大大提高了传输效率。

HTTP/2还引入了多路复用（Multiplexing）的概念，它允许在同一个连接上同时处理多个请求和响应，解决了HTTP/1.1中队头阻塞的问题。这意味着浏览器可以在一个TCP连接上并行发起多个请求，而不必等待前一个请求完成。

HTTP/2协议的性能优化点

  1. 多路复用：如前文所述，多路复用打破了HTTP/1.1中请求只能串行处理的限制。在传统的HTTP/1.1中，如果一个请求因为网络等原因延迟，那么后续请求即使数据已经准备好，也必须等待前面的请求完成才能发送。而HTTP/2通过将请求和响应分割成帧，交错发送，每个帧都有自己的标识符，使得客户端和服务器可以准确地将帧重新组装成完整的请求和响应。

  2. 头部压缩：HTTP/1.1的头部信息以文本形式传输，在多次请求中，很多头部字段是重复的，这造成了不必要的带宽浪费。HTTP/2采用HPACK算法进行头部压缩，它通过建立一个动态的字典，对重复的头部字段进行索引，极大地减少了头部传输的大小。

  3. 服务器推送：HTTP/2允许服务器在客户端请求之前，主动将一些资源推送给客户端。例如，当客户端请求一个HTML页面时，服务器可以预判客户端可能需要的CSS、JavaScript文件等，提前推送给客户端，这样客户端在解析HTML时就可以直接使用这些资源，减少了额外的请求次数。

实战案例 - 使用Node.js搭建HTTP/2服务器

  1. 环境准备：

    • 确保已经安装了Node.js，并且版本支持HTTP/2。Node.js从v8.4.0版本开始原生支持HTTP/2。
    • 可以使用npm（Node Package Manager）来管理项目依赖。

  2. 创建项目：

    • 在终端中，创建一个新的目录，例如http2 - project，并进入该目录。
    mkdir http2 - project
cd http2 - project
    • 初始化npm项目，会生成一个package.json文件来管理项目的依赖和配置。
    npm init -y

  3. 编写HTTP/2服务器代码：

    const http2 = require('http2');
const fs = require('fs');

const server = http2.createSecureServer({
    key: fs.readFileSync('server.key'),
    cert: fs.readFileSync('server.crt')
});

server.on('stream', (stream, headers) => {
    // 设置响应头
    stream.respond({
        'content - type': 'text/plain',
        ':status': 200
    });
    stream.end('Hello, this is an HTTP/2 server!');
});

server.listen(8443, () => {
    console.log('HTTP/2 server is listening on port 8443');
});
    • 在上述代码中：
      • 首先引入了http2模块和fs模块，http2模块用于创建HTTP/2服务器，fs模块用于读取SSL证书和私钥文件。
      • 使用http2.createSecureServer方法创建一个安全的HTTP/2服务器，这里需要提供SSL证书和私钥。如果是在开发环境，也可以使用自签名证书。
      • 服务器的stream事件在有新的请求流时触发。在事件处理函数中，通过stream.respond方法设置响应头，然后使用stream.end方法发送响应内容。
      • 最后，服务器监听在8443端口上。

  4. 生成自签名证书（开发环境）：

    • 如果没有SSL证书，可以使用openssl工具生成自签名证书。
    openssl req -newkey rsa:2048 -nodes -keyout server.key -x509 -days 365 -out server.crt
    • 按照提示输入相关信息，即可生成server.key（私钥文件）和server.crt（证书文件）。

性能对比 - HTTP/1.1与HTTP/2

  1. 测试工具选择：可以使用ab（Apache Benchmark）来进行性能测试。ab是一个简单的性能测试工具，它可以模拟多个并发请求，测试服务器的性能。

  2. HTTP/1.1服务器测试：假设我们有一个简单的HTTP/1.1服务器，使用Node.js的http模块创建：

    const http = require('http');

const server = http.createServer((req, res) => {
    res.writeHead(200, { 'Content - Type': 'text/plain' });
    res.end('Hello, this is an HTTP/1.1 server!');
});

server.listen(8080, () => {
    console.log('HTTP/1.1 server is listening on port 8080');
});
    • 使用ab进行测试：
    ab -n 1000 -c 100 http://localhost:8080/
    • 上述命令中，-n表示请求的总数，-c表示并发请求数。测试结果会显示每秒请求数、平均响应时间等指标。

  3. HTTP/2服务器测试：对之前创建的HTTP/2服务器进行测试：

    ab -n 1000 -c 100 -k -H 'Connection: Keep - Alive' https://localhost:8443/
    • 这里由于HTTP/2是基于TLS的，所以使用https协议。-k参数表示启用HTTP Keep - Alive功能，以模拟长连接。

  4. 结果分析：

    • 通常情况下，HTTP/2服务器在高并发场景下，每秒请求数会比HTTP/1.1服务器更高，平均响应时间会更短。这是因为HTTP/2的多路复用和头部压缩等特性，减少了请求的等待时间和传输的数据量。例如，在相同的并发请求数和总请求数下，HTTP/1.1可能会因为队头阻塞问题，导致部分请求等待较长时间，而HTTP/2可以并行处理这些请求，提高了整体的性能。

实战案例 - 在Express框架中应用HTTP/2

  1. 安装依赖：

    • Express是一个流行的Node.js web应用框架。要在Express中使用HTTP/2，首先需要安装express和http2相关的依赖。
    npm install express http2

  2. 编写Express HTTP/2应用：

    const express = require('express');
const http2 = require('http2');
const fs = require('fs');

const app = express();
const server = http2.createSecureServer({
    key: fs.readFileSync('server.key'),
    cert: fs.readFileSync('server.crt')
}, app);

app.get('/', (req, res) => {
    res.send('Hello, this is an Express HTTP/2 app!');
});

server.listen(8443, () => {
    console.log('Express HTTP/2 app is listening on port 8443');
});
    • 在这段代码中：
      • 引入了express、http2和fs模块。
      • 使用http2.createSecureServer创建一个HTTP/2服务器，并将Express应用app作为参数传入。这样Express的路由和中间件等功能就可以在HTTP/2服务器上运行。
      • 定义了一个根路由/，当客户端访问该路由时，返回相应的文本。

  3. 性能优化：

    • 在Express应用中，可以结合HTTP/2的特性进一步优化性能。例如，可以使用HTTP/2的服务器推送功能。假设我们有一个HTML页面，并且知道客户端会需要相关的CSS文件。
    const express = require('express');
const http2 = require('http2');
const fs = require('fs');

const app = express();
const server = http2.createSecureServer({
    key: fs.readFileSync('server.key'),
    cert: fs.readFileSync('server.crt')
}, app);

app.get('/', (req, res) => {
    const push = req.http2Stream.push.bind(req.http2Stream);
    push({ ':path': '/styles.css' }, (err, stream) => {
        if (err) {
            console.error(err);
        } else {
            stream.respondWithFile('public/styles.css');
        }
    });
    res.sendFile(__dirname + '/public/index.html');
});

server.listen(8443, () => {
    console.log('Express HTTP/2 app is listening on port 8443');
});
    • 在上述代码中，通过req.http2Stream.push方法实现了服务器推送功能。当客户端请求根路由/时，服务器会提前推送styles.css文件，这样客户端在解析HTML时就可以直接使用该CSS文件，减少了额外的请求。

HTTP/2在实际项目中的应用场景

  1. 单页应用（SPA）：单页应用通常需要加载大量的JavaScript、CSS和JSON数据。HTTP/2的多路复用和头部压缩特性可以显著提高这些资源的加载速度。例如，在一个使用Vue.js或React.js构建的SPA中，HTTP/2可以使得页面的初始加载和后续的资源更新更加迅速，提升用户体验。

  2. 图像和多媒体资源加载：对于图片、视频等多媒体资源的加载，HTTP/2的多路复用可以并行处理多个资源请求。比如一个图片画廊网站，用户在浏览不同图片时，HTTP/2可以同时请求多张图片，减少用户等待时间。

  3. 微服务架构：在微服务架构中，各个服务之间的通信频繁。HTTP/2的高性能特性可以优化服务间的通信，减少延迟。例如，一个电商系统中，商品服务、订单服务等之间通过HTTP/2进行通信，可以提高整个系统的响应速度。

应对HTTP/2协议的安全挑战

  1. TLS加密：由于HTTP/2默认基于TLS加密传输，确保TLS配置的安全性至关重要。需要定期更新TLS证书，避免使用弱加密算法。例如，应该优先使用TLS 1.3，它相比之前的版本在安全性和性能上都有提升。

  2. 防止头部注入攻击：虽然HTTP/2的头部压缩算法可以减少传输大小，但也可能带来安全风险。恶意用户可能试图通过构造恶意头部进行注入攻击。可以通过严格的输入验证和过滤来防止此类攻击。例如，在服务器端对所有传入的头部字段进行合法性检查，只允许特定的头部字段通过。

  3. 流量分析防范：即使数据在传输过程中是加密的，攻击者仍可能通过分析流量模式来获取信息。可以采用一些技术来混淆流量模式，例如添加随机的延迟或发送一些额外的无意义数据，但这需要在性能和安全性之间进行权衡。

总结HTTP/2协议在后端开发中的重要性

HTTP/2协议为后端开发带来了显著的性能提升，通过多路复用、头部压缩和服务器推送等特性，解决了HTTP/1.1存在的性能瓶颈。在实际项目中，无论是构建单页应用、处理多媒体资源还是在微服务架构中，HTTP/2都能发挥重要作用。同时，虽然HTTP/2带来了安全挑战，但通过合理的安全配置和防范措施，可以在保障安全的前提下充分利用其性能优势。随着互联网应用对性能要求的不断提高，HTTP/2协议在后端开发中的应用将越来越广泛。