cs-note/hhs/NETWORK/05-应用层协议/02-HTTP-2多路复用.md

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tags: [计算机网络, HTTP/2, HPACK, Multiplexing, Server Push]
create time: 2026-05-18 02:40
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# HTTP/2 多路复用

## 概述

HTTP/2 (RFC 7540) 是 HTTP 协议自 1999 年 HTTP/1.1 以来的第一次重大修订。核心改进：**二进制分帧层**，让一个 TCP 连接上能并发多个请求，彻底消除 Head-of-Line blocking（应用层层面）。

```mermaid
flowchart TD
    A["HTTP/1.1<br/>问题重重"] -->|"串行请求"| B["每个请求等响应"]
    B --> C["慢 ❌"]
    
    D["HTTP/2<br/>二进制分帧"] -->|"多路复用"| E["并发请求/响应"]
    E --> F["快 ✅"]
    
    style A fill:#FF6B6B,color:#fff
    style D fill:#98FB98,color:#000
```

## HTTP/2 的三层层级

```
┌─────────────────────────────────────┐
│          Application Layer         │
│        HTTP Frames / Streams       │  ← 你操作的对象
├─────────────────────────────────────┤
│            Frame Layer              │  ← HPACK + Flow Control
│         Binary Framing + Headers   │
├─────────────────────────────────────┤
│             Transport Layer        │  ← TCP (or QUIC for H3)
│           Connection Management    │
└─────────────────────────────────────┘
```

## 二进制帧类型（Frame Types）

| Frame | 说明 |
|-------|------|
| **HEADERS** | 请求/响应头部 |
| **DATA** | 实际数据载荷 |
| RST_STREAM | 异常关闭流 |
| SETTINGS | 通信参数协商 |
| PUSH_PROMISE | 服务器推送 |
| PING | 延迟测量 |
| GOAWAY | 优雅关闭连接 |
| WINDOW_UPDATE | 流量控制 |
| CONTINUATION | HEADERS 太长时的延续帧 |

### HEADERS 帧结构

```
+---------------+
|Pad Length?    |(0-7 bits)
|Padding (8-bit)|
|E               |
|+---------------+----------------------------------------------+
| |Header Block Fragment (*)                          |
|+-----------------------------------------------------+
|...                                                   |
+-----------------------------------------------------+
```

## Stream — 多路复用的核心

HTTP/2 将每个请求/响应绑定到一个唯一的 **Stream ID**：

```
TCP Connection: client:45678 ↔ server:443

Stream 1: GET /index.html      → 200 OK
Stream 3: GET /style.css       → 200 OK
Stream 5: POST /api/login      → 200 OK
Stream 7: GET /app.js          → 200 OK

Client                                          Server
│                                               │
│ ───HEADERS(stream=1)──→                       │ GET /index.html
│ ───DATA(stream=1, 5KB)──→                     │
│                                               │
│ ←──HEADERS(stream=1, 200 OK)──               │
│ ←──DATA(stream=1, 15KB)──                     │
│                                               │
│ ───HEADERS(stream=3)──→                       │ GET /style.css
│ ←──HEADERS(stream=3, 200 OK)──               │
│ ←──DATA(stream=3, 3KB)──                      │
│                                               │
│ ───HEADERS(stream=5)──→                       │ POST /api/login
│ ───DATA(stream=5, 50B)──→                     │ body: {"user":"alice"}
│ ←──HEADERS(stream=5, 200 OK)──               │
│ ←──DATA(stream=5, 80B)──                      │ body: {"token":"abc"}
```

### Stream 状态机

```
idle → reserved(local) ———→ half closed(local) —→ closed
        ↑                       ↓                        ↑
        │                half closed(remote)             │
        │                      ↓                         │
        └──── open ←───────── half closed(remote) ◄─────┘
               ↑                    ↑
               │         half closed(local)
               │                    ↓
     send HEADERS             closed
     recv HEADERS
```

### 优先级分组（Stream Dependency）

```
Stream 1 (weight=16) [root]
 ├── Stream 3 (weight=8): /index.html
 │    ├── Stream 7 (weight=4): style.css
 │    └── Stream 9 (weight=2): logo.png
 ├── Stream 5 (weight=8): API data
 └── Stream 11 (weight=1): tracking pixel
```

## HPACK — Header 压缩

HTTP/1.1 每次请求都重复发送 `User-Agent`、`Cookie`、`Accept` 等头部，浪费带宽。HPACK 用两种技术解决：

| 技术 | 说明 |
|------|------|
| **Header Table** (动态表) | 服务端缓存常用头，后续请求用索引代替 |
| **Huffman Coding** | 对字符串值做霍夫曼编码压缩 |

### HPACK 编码示例

原始 HTTP/1.1 请求头部（重复发送）：
```
GET /page HTTP/1.1
Host: example.com
User-Agent: Mozilla/5.0 ...
Accept: text/html
Cookie: session=abc123
Accept-Encoding: gzip
```

重复 10 次后，HTTP/2 只发一次完整头部，后续使用动态表索引：
```
索引 1: Host: example.com      (查表! 不重传)
索引 4: User-Agent: ...        (查表!)
索引 5: Accept: text/html      (查表!)
索引 6: Cookie: session=abc123 (查表!)
索引 7: Accept-Encoding: gzip  (查表!)
```

**节省效果：** header 体积减少 70%~90%。

## Server Push

服务器可以主动向客户端推送资源，无需客户端请求：

```
Client: GET /index.html
Server: HEADERS(stream=2, 200 OK) — HTML content
Server: PUSH_PROMISE(stream=2, promised_stream=4)
        → style.css
Server: HEADERS(stream=4, 200 OK)
Server: DATA(stream=4, CSS content)

← 客户端在还没解析到 <link> 之前就已经收到了 CSS!
```

```bash
# Go 中启用 HTTP/2 Server Push
pusher, ok := w.(http.Pusher)
if ok {
    pusher.Push("/static/style.css", nil)
}
```

> [!warning] Push 的实际争议
> Push 被广泛认为弊大于利：浏览器可能已经缓存了资源（导致冗余传输），且无法像 Client-initiated 那样利用浏览器已有的缓存决策。现代实践中更多使用 Preload `<link rel="preload">` 替代 Push。

## HTTP/2 vs HTTP/1.1 对比

| 特性 | HTTP/1.1 | HTTP/2 |
|------|---------|--------|
| 格式 | 文本 | **二进制** |
| 并发 | 需要 N 个连接 | **单连接多路复用** |
| Header | 明文全量发送 | **HPACK 压缩** |
| 服务端推送 | ❌ | ✅ (可选) |
| 头部压缩 | ❌ (需 HPACK extension) | ✅ 原生支持 |
| 头部顺序 | 按发送顺序 | 可重新排序 |
| HoL Blocking | 严重 (TCP 层) | **消除** (Stream 独立) |
| TLS 要求 | 不需要 | **推荐** (nginx/apache 默认 h2c) |

## h2c — HTTP/2 Clear Text (未加密)

HTTP/2 可以通过 ALPN 升级（TLS 下的 h2）或 HTTP Upgrade 机制（纯 TCP 的 h2c）：

```bash
# curl 测试 h2c
curl --http2 -H "Upgrade-H2C: true" http://localhost:8080/api

# Go net/http 中 h2c 支持需 import golang.org/x/net/http2
import "golang.org/x/net/http2"
import "golang.org/x/net/http2/h2c"
```

> [!tip] 生产环境始终用 HTTPS + h2
> 浏览器仅支持 TLS 下的 HTTP/2 (ALPN = "h2")。纯 TCP 的 h2c 主要用于微服务间通信。

## 关联笔记

- [[hhs/NETWORK/HTTP/1.1完全指南]] — HTTP/2 的基础
- [[hhs/NETWORK/HTTP/3与QUIC]] — HTTP/2 的 UDP 替代品
- [[hhs/NETWORK/HTTPS与TLS握手]] — HTTP/2 通常配合 HTTPS