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关于 iOS HTTP2.0 的一次学习实践

2017-04-26 17:20 Joy___

前面的文章也提到了目前的移动端网络常见性能问题,以及对应的优化策略,如果把HTTP1.1 替换为 HTTP2.0,可以说是网络性能优化的一步大棋。这几天对 iOS HTTP2.0 进行了简单的调研、测试,在此做个简单的总结

本文的大概思路是介绍 HTTP1.1 的弊端、HTTP2.0 的优势、HTTP2.0 的协商机制、iOS 客户端如何接入 HTTP2.0,以及如何对其进行调试。主要还是加深记忆、方便后期查阅,文末的资料相比本文或许是更有价值的。

HTTP 1.1
  • 虽然 HTTP1.1 默认是开启 Keep-Alive 长连接的,一定程度上弥补了HTTP1.0每次请求都要创建连接的缺点,但是依然存在 head of line blocking,如果出现一个较差的网络请求,会影响后续的网络请求。为什么呢?如果你发出1、2、3 三个网络请求,那么 Response 的顺序 2、3 要在第一个网络请求之后,以此类推

  • 针对同一域名,在请求较多的情况下,HTTP1.1 会开辟多个连接,据说浏览器一般是6-8 个,较多连接也会导致延迟增大,资源消耗等问题

  • HTTP1.1 不安全,可能存在被篡改、被窃听、被伪装等问题。当然,前阵子 Apple 推广 HTTPS 的时候,相信很多人已经接入 HTTPS

  • HTTP 的头部没有压缩,header 的大小也是传输的负担,带来更多的流量消耗和传输延迟。并且很多 header 是相同的,重复传输是没有必要的。

  • 服务端无法主动推送资源到客户端

  • HTTP1.1的格式是文本格式,基于文本做一些扩展、优化相对比较困难,但是文本格式易于阅读和调试,但HTTPS之后,也变成二进制格式了,这个优势也不复存在   

HTTP 2.0

在 HTTP2.0中,上面的问题几乎都不存在了。HTTP2.0 的设计来源于 Google 的 SPDY 协议,如果对 SPDY 协议不了解的话,也可以先对 SPDY 进行了解,不过这不影响继续阅读本文

  • HTTP 2.0 使用新的二进制格式:基本的协议单位是帧,每个帧都有不同的类型和用途,规范中定义了10种不同的帧。例如,报头(HEADERS)和数据(DATA)帧组成了基本的HTTP 请求和响应;其他帧例如 设置(SETTINGS),窗口更新(WINDOW_UPDATE), 和推送承诺(PUSH_PROMISE)是用来实现HTTP/2的其他功能。那些请求和响应的帧数据通过流来进行数据交换。新的二进制格式是流量控制、优先级、server push等功能的基础

流(Stream):一个Stream是包含一条或多条信息、ID和优先级的双向通道   

消息(Message):消息由帧组成

帧(Frame):帧有不同的类型,并且是混合的。他们通过stream id被重新组装进消息中


  • 多路复用:也就是连接共享,刚才说到 HTTP1.1的 head of line blocking,那么在多路复用的情况下,blocking 已经不存在了。每个连接中 可以包含多个流,而每个流中交错包含着来自两端的帧。也就是说同一个连接中是来自不同流的数据包混合在一起,如下图所示,每一块代表帧,而相同颜色块来自同一个流,每个流都有自己的 ID,在接收端会根据 ID 进行重装组合,就是通过这样一种方式来实现多路复用。


  • 单一连接:刚才也说到 1.1 在请求多的时候,会开启6-8个连接,而 HTTP2 只会开启一个连接,这样就减少握手带来的延迟。

  • 头部压缩:HTTP2.0 通过 HPACK 格式来压缩头部,使用了哈夫曼编码压缩、索引表来对头部大小做优化。索引表是把字符串和数字之间做一个匹配,比如method: GET对应索引表中的2,那么如果之前发送过这个值是,就会缓存起来,之后使用时发现之前发送过该Header字段,并且值相同,就会沿用之前的索引来指代那个Header值。具体实验数据可以参考这里:HTTP/2 头部压缩技术介绍


  • Server Push:就是服务端可以主动推送一些东西给客户端,也被称为缓存推送。推送的资源可以备客户端日后之需,需要的时候直接拿出来用,提升了速率。具体的实验可以参考这里:iOS HTTP/2 Server Push 探索


除了上面讲到的特性,HTTP2.0 还有流量控制、流优先级和依赖性等功能。更多细节可以参考:Hypertext Transfer Protocol Version 2 (HTTP/2)

iOS客户端接入HTTP 2.0

iOS 如何接入 HTTP 2.0呢?其实很简单:

  • 保证服务端支持 HTTP2.0,并且留意下 NPN 或 ALPN

  • 客户端系统版本 iOS 9 +

  • 使用 NSURLSession 代替 NSURLConnection

  • 客户端是使用 h2c 还是 h2,它们可以说是 HTTP2.0的两个版本,h2 是使用 TLS 的HTTP2.0协议,h2c是运行在明文 TCP 协议上的 HTTP2.0协议。浏览器目前只支持h2,也就是说必须基于HTTPS部署,但是客户端可以不部署HTTPS,因为我司早已部署HTTPS,所以我这里的实践都是基于h2的

HTTP 2.0的协商机制

上面说了一堆名次,什么NPN、ALPN呀,还有h2、h2c之类的,有点懵逼。NPN(Next Protocol Negotiation)是一个 TLS 扩展,由 Google 在开发 SPDY 协议时提出。随着 SPDY 被 HTTP/2 取代,NPN 也被修订为 ALPN(Application Layer Protocol Negotiation,应用层协议协商)。二者目标一致,但实现细节不一样,相互不兼容。以下是它们主要差别:

  • NPN 是服务端发送所支持的 HTTP 协议列表,由客户端选择;而 ALPN 是客户端发送所支持的 HTTP 协议列表,由服务端选择;

  • NPN 的协商结果是在 Change Cipher Spec 之后加密发送给服务端;而 ALPN 的协商结果是通过 Server Hello 明文发给客户端

同时,目前很多地方开始停止对NPN的支持,仅支持 ALPN,所以公司使用的话,最佳是直接使用 ALPN。

下面就直接来看看 ALPN 的协商过程是怎样的,ALPN 作为 TLS 的一个扩展,其过程可以通过 WireShark 查看 TLS握手过程来查看

下面通过 WireShark 来进行调试,接入真机,然后终端输入
rvictl -s 设备 UDID来创建一个映射到 iPhone 的虚拟网卡,UUID 可以在 iTunes 中获取到,运行命令后会看到成功创建 rvi0 虚拟网卡的,双击 rvi0 开始调试。
进入之后,在手机上访问页面会有源源不断的请求显示在 WireShark 的界面上,数据太多而不利于我们针对性调试,你可以过滤下域名,只关注你想测试的 ip 地址,比如: ip.addr==111.89.211.191 ,当然你的 ip 要支持 HTTP2.0才会有预想的效果哦

下面,就开始通过查看 TLS 握手的过程分析HTTP2.0 的协商过程,刚才也说道 ALPN 协商结果是在 Client hello 和 Server hello 中显示的,那就先来看一下Client hello

可以看到客户端在 Client hello 中列出了自己支持的各种应用层协议,比如 spdy3、h2。

那么接着看 Server hello 是如何回复的

服务端会根据 client hello 中的协议列表,发过去自己支持的网络协议,假如服务端支持 h2,则直接返回h2,协商成功,如果不支持 h2,则返回一个其他支持的协议,比如HTTP1.1、spdy3

这个是h2的协商过程,对于刚才提到的 h2c 的协商过程,与此不同,h2c 利用的是HTTP Upgrade 机制,客户端会发送一个 http 1.1的请求到服务端,这个请求中包含了 http2的升级字段,例如:

GET /default.htm HTTP/1.1

Host: server.example.com

Connection: Upgrade, HTTP2-Settings

Upgrade: h2c

HTTP2-Settings:

服务端收到这个请求后,如果支持 Upgrade 中 列举的协议,这里是 h2c,就会返回支持的响应:

HTTP/1.1 101 Switching Protocols

Connection: Upgrade

Upgrade: h2c


[ HTTP/2 connection ...

当然,不支持的话,服务器会返回一个不包含 Upgrade 的报头字段的响应。

我的客户端支持了吗?

一切准备就绪之后,也是时候对结果进行验证了,除了刚才提到的 WireShark 之外,你还可以使用下面的几个工具来对 HTTP 2.0 进行测试

  • Chrome 上的一个插件,HTTP/2 and SPDY indicator 会在你访问 http2.0 的网页的时候,以小闪电的形式进行指示

点击小闪电,会进入一个页面,列举了当前浏览器访问的全部 http2.0的请求,所以,你可以把你想要测试的客户端接口在浏览器访问,然后在这个页面验证下是否支持 http2.0

  • charles:这个大家应该都用过,4.0 以上的新版本对 HTTP2.0做了支持,为了方便,你也可以在 charles 上进行调试,但是我发现好像存在 http2.0的一些 bug,目前还没搞清楚什么原因

  • 使用 nghttp2 来调试,这是一个 C 语言实现的 HTTP2.0的库,具体使用方法可以参考: 使用 nghttp2 调试 HTTP/2 流量

  • 再者简单粗暴,直接在 iOS 代码中打印,_CFURLResponse 中包含了 httpversion,获取方法就是基于 CFNetwork 相关的 API 来做,这里直接丢出关键代码,完整代码可以参考  getHTTPVersion

      #import "NSURLResponse+Help.h"

      #import

      @implementation NSURLResponse (Help)

      typedef CFHTTPMessageRef (*MYURLResponseGetHTTPResponse)(CFURLRef response);

 

      - (NSString *)getHTTPVersion {

          NSURLResponse *response = self;

          NSString *version;

          NSString *funName = @"CFURLResponseGetHTTPResponse";

          MYURLResponseGetHTTPResponse originURLResponseGetHTTPResponse =

          dlsym(RTLD_DEFAULT, [funName UTF8String]);

          SEL theSelector = NSSelectorFromString(@"_CFURLResponse");

          if ([response respondsToSelector:theSelector] &&

              NULL != originURLResponseGetHTTPResponse) {

              CFTypeRef cfResponse = CFBridgingRetain([response performSelector:theSelector]);

              if (NULL != cfResponse) {

                  CFHTTPMessageRef message = originURLResponseGetHTTPResponse(cfResponse);

                  CFStringRef cfVersion = CFHTTPMessageCopyVersion(message);

                  if (NULL != cfVersion) {

                      version = (__bridge NSString *)cfVersion;

                      CFRelease(cfVersion);

                  }

                  CFRelease(cfResponse);

              }

          }

          if (nil == version || 0 == version.length) {

              version = @"获取失败";

          }

          return version;

      }

      @end



大礼包

 
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