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本文由騰訊IVWEB團隊發表于云社區專欄

作者：yangchunwen

HTTP協議是前端性能乃至安全中一個非常重要的話題，最近在看《web性能權威指南(High Performance Browser Networking)》，把其中關于HTTP部分的內容拿出來分享一下，加了一點自己的想法，當然沒有《HTTP權威指南》講得詳細，但對于理解我們平常做的事情很有啟發。預計會有兩三篇文章，重點分別會涉及到HTTP 1.1、HTTPS、HTTP 2.0等內容，本篇主要涉及HTTP 1.1及其應用。

HTTP的歷史

HTTP 0.9

HTTP的第一個版本被官方稱為HTTP0.9，這是個只有一行的協議，例如：

GET /about/(超文本響應……)
(連接關閉……)

HTTP 0.9有幾個要點：

客戶端/服務器、請求/響應協議
ASCII 協議，運行于TCP/IP鏈接之上
設計用來傳輸超文本文檔(HTML)
服務器與客戶端之間的連接在每次請求之后都會關閉

這個版本的HTTP主要用來傳輸文本，并且沒有共用TCP連接。

HTTP 1.0

一個典型的HTTP 1.0請求過程如下：

GET /rfc/rfc1945.txt HTTP/1.0 
User-Agent: CERN-LineMode/2.15 libwww/2.17b3 
Accept: */* HTTP/1.0 200 OK 
Content-Type: text/plain 
Content-Length: 137582
Expires: Thu, 01 Dec 1997 16:00:00 GMT 
Last-Modified: Wed, 1 May 1996 12:45:26 GMT Server: Apache 0.84(超文本響應……)
(連接關閉……)

相對前一個版本，HTTP 1.0主要有以下幾點變化：

請求和相應可以由于多行首部字段構成
響應對象前面添加了一個響應狀態行
響應對象不局限于超文本
服務器與客戶端之間的連接在每次請求之后都會關閉
實現了Expires等傳輸內容的緩存控制
內容編碼Accept-Encoding、字符集Accept-Charset等協商內容的支持

這時候開始有了請求及返回首部的概念，開始傳輸不限于文本（其他二進制內容）

HTTP 1.1

HTTP 1.1是當前大部分應用所使用的協議版本。相對前面的1.0版本，HTTP 1.1語義格式基本保持不變，但是它加入了很多重要的性能優化：持久連接、分塊編碼傳輸、字節范圍請求、增強的緩存機制、傳輸編碼及請求管道。

實際上，持久鏈接在后來被反向移植到了HTTP1.0上

HTTP 2.0

HTTP 2.0 的主要目標是改進傳輸性能,實現低延遲和高吞吐量。HTTP 2.0作了很多性能角度的優化，另一方面，HTTP的高層協議語義并不會因為這次版本升級而受影響。所有HTTP首部、值,以及它們的使用場景都不會變。現有的任何網站和應用,無需做任何修改都可以在 HTTP 2.0 上跑起來。換句話說, 等以后我們的服務器、客戶端（如瀏覽器）都支持HTTP 2.0的時候，我們不用為了利用 HTTP 2.0 的好處而修改標記，作很多額外的編碼，卻能享受到它帶來的更低的延遲和更高的網絡連接利用率交付！

HTTP 2.0的內容將在下篇或下下篇放出，本文不對其做過多潤色

HTTP 1.1與前端性能

前面講到，HTTP 1.1這個版本引入了大量增強性能的重要特性，其中包括：

持久化連接以支持連接重用
分塊傳輸編碼以支持流式響應
請求管道以支持并行請求處理
字節服務以支持基于范圍的資源請求
改進的更好的緩存機制

這里重點講一下持久化、管道在前端性能優化中的一些應用

持久連接

所謂持久連接，就是重用 TCP連接，多個HTTP請求公用一個TCP連接。

HTTP 1.1 改變了 HTTP 協議的語義,默認使用持久連接。換句話說,除非明確告知(通過

Connection: close

首部),否則服務器默認會保持TCP連接打開。如果你使用的是 HTTP 1.1,從技術上說不需要

Connection: Keep-Alive

首部,但很多客戶端還是選擇加上它，比如我們的瀏覽器在發起請求的時候，一般會默認幫我們帶上

Connection: Keep-Alive

首部。

我們來看一下為什么持久連接對我們來說這么重要。

假設一個網頁僅包含一個HTML文檔及一個CSS樣式文件，服務器響應這兩個文件的時間分別為40ms及20ms，服務器和瀏覽者分別在哈爾濱和深圳，兩者之間單向光纖延遲為28ms(假設的理想狀態，實際會比這個要大)。

首先是獲取HTML文檔的請求過程：

HTML下載完畢后，TCP連接關閉。

其次，發起CSS資源的請求，再次經歷一次TCP握手

可以看到，兩個HTTP請求都分別需要經歷一次TCP的三次握手時間，另外，圖中沒有體現到的是，每一次TCP請求都有可能會經歷一次TCP慢啟動過程，這是影響傳播性能的一個不可忽視的重要因素。

假如我們底層的TCP連接得到重用，這時候的情況會是這樣子：

很明顯，在獲取CSS的請求中，減少了一次握手往返。

一開始，每個請求要用兩個TCP連接，總延遲為284ms。在使用持久連接后，避免了一次握手往返,總延遲減少為228ms。這里面兩次請求節省了56ms（一個RTT，Round-Trip Time）的時間

上面的例子還只是只有一個HTML和一個CSS的簡單假設情況，而現實世界的web的HTTP請求數量比這個要多得多，在啟用持久連接的情況下，N次請求節省的總延遲時間就是(N-1)×RTT。

現實情況中，延遲更高、請求更多，性能提升效果比這里還要高得多。事實上,網絡延遲越高,請求越多,節省的時間就越多。實際應用中，這個節省的總時間可按秒來算了。如果每一個HTTP都重啟一個TCP連接，可想而知要浪費多少時間！

HTTP管道

持久 HTTP 可以讓我們重用已有的連接來完成多次應用請求，但多次請求必須嚴格滿足先進先出(FIFO，first in first out)的隊列順序：發送請求,等待響應完成,再發送客戶端隊列中的下一個請求。

舉一下上一節持久連接的那個例子，首先，服務器處理完第一次請求后，會發生了一次完整的往返：先是響應回傳，接著是第二次請求，在第二次請求到達服務器之間的這段時間里，服務器空閑。

如果服務器能在處理完第一次請求后,立即開始處理第二次請求呢？甚至，如果服務器可以并行處理兩個請求呢?

這時候HTTP管道就派上用場了，HTTP管道是一個很小但對上述工作流非常重要的一次優化。

有了HTTP管道，我們的HTTP請求在一定程度上不用再一個一個地串行請求，而是可以多個并行了，看起來好像很理想：

如上圖，HTML和CSS的請求同時到達服務器，服務器同時處理，然后返回。

這一次，通過使用HTTP管道，又減少了兩次請求之間的一次往返,總延遲減少為 172 ms。從一開始沒有持久連接、沒有管道的284ms，到優化后的172ms，這40%的性能提升完全拜簡單的協議優化所賜。

等一下，剛剛那個例子好像哪里還不夠好：既然請求同時到達，同時處理，為什么后面要先返回HTML，然后再返回CSS？兩者不能同時返回嗎？

理想很豐滿，現實卻有點骨感，這就是HTTP 1.1管道的一個很大的局限性：HTTP請求無法很好地利用多路復用，不允許一個連接上的多個響應數據交錯返回(多路復用)。因而一個響應必須完全返回后，下一個響應才會開始傳輸。

這個管道只是讓我們把FIFO隊列從客戶端遷移到了服務器。也就是說，請求可以同時到達服務器，服務器也可以同時處理兩個文件，但是，兩個文件還是得按順序返回給用戶，如下圖：

HTML和CSS請求同時到達，但先處理的是HTML請求
服務器并行處理兩個請求，其中處理 HTML 用時40ms，處理CSS用時20ms
CSS請求先處理完成，但被緩沖起來以等候HTML響應先發送
發送完HTML響應后，再發送服務器緩沖中的CSS響應

可以看到，即使客戶端同時發送了兩個請求,而且CSS資源先準備就緒，但是服務器也會先發送 HTML 響應，然后再交付 CSS。

題外話上面兩節舉的例子，說到了HTML和CSS請求同時到達，這是書中的例子，實際上，個人覺得這個例子舉得不是很恰當。實際的web中，HTML及其包含的CSS一般不會同時到達服務器，正常的瀑布圖也不是這樣的，往往是要先獲取HTML內容后瀏覽器才能發起其中的CSS等資源請求。我想作者只是為了闡述原理吧，個人認為換成同一個HTML文檔中CSS和JS可能更加恰當。

這個問題的原理在于TCP層面的“隊首阻塞”，感興趣可以去復習下計算機網絡的課程。其代價往往是：不能充分利用網絡連接，造成服務器緩沖開銷，有可能導致客戶端更大的延遲。更嚴重的時，假如前面的請求無限期掛起，或者要花很長時間才能處理完,所有后續的請求都將被阻塞,等待它完成。

所以，在HTTP 1.1中，管道技術的應用非常有限，盡管其優點毋庸置疑。實際上，一些支持管道的瀏覽器，通常都將其作為一個高級配置選項，但大多數瀏覽器都會禁用它。換句話說，作為前端工程師，開發的應用是面向普通瀏覽器應用的話，還是不要過多的指望HTTP管道，看來還是期待一下HTTP 2.0中對管道的優化吧。

不過，實際上還是有很好地利用HTTP管道的一些應用，例如在WWDC 2012上，有蘋果的工程師分享了一個針對HTTP優化取得巨大成效的案例：通過使用HTTP的持久連接和管道，重用iTunes中既有的TCP連接，使得低網速用戶的性能提升到原來的3倍！

實際上假如你想充分利用管道的好處，必須要保證下面這幾點條件：

HTTP客戶端支持管道
HTTP服務器支持管道
應用可以處理中斷的連接并恢復
應用可以處理中斷請求的冪等問題
應用可以保護自身不受出問題的代理的影響

因為iTunes的服務器和客戶端都受開發者控制的應用，所以他們能滿足以上的條件。這也許能給開發hybrid應用或者開發瀏覽器之外的web應用的前端工程師們一些啟發，如果你開發的網站面向的用戶是使用五花八門的瀏覽器，你可能就沒轍了。

使用多個TCP連接

因為HTTP 1.1管道存在上面的缺點，所以利用率不高。那么問題來了：假設沒有使用HTTP管道，我們的所有HTTP請求都只能通過持久連接，一個接一個地串行返回，這得有多慢？

實際上，現階段的瀏覽器廠商采取了另外的辦法來解決HTTP 1.1管道的缺陷：允許我們并行打開多個TCP會話。至于是多少個，大家可能已經似曾相識：4到8個不等。這就是前端工程師非常熟悉的

瀏覽器只允許從同一個服務器并行加載4到8個資源

這一認識的真正來歷。

HTTP持久連接雖然幫我們解決了TCP連接復用的問題，但是現階段的HTTP管道卻無法實現多個請求結果的交錯返回，所以瀏覽器只能開啟多個TCP連接，以達到并行地加載資源的目的。

只能說，這是作為繞過應用協議（HTTP）限制的一個權宜之計。可以這樣打一個比喻，一個水管無法同時運輸多種液體，那就只能給每一種液體開通一條運輸管了，至于這個水管什么時候可以智能化到同時運輸不同的液體，又能保證各自完整不受干擾到達目的地并在目的地自行分類？還是那一句，期待HTTP 2.0吧。

這里的連接數為什么是4到8個，是多方平衡的結果：這個數字越大，客戶端和服務器的資源占用越多（在高并發訪問的服務器中因為TCP連接造成的系統開銷不可忽視），每個主機4到8個連接只不過是大家都覺得比較安全的一個數字。

域名分區

前面說到，瀏覽器和服務器之間只能并發4到8個TCP連接，也就是同時下載4到8個資源，夠嗎？

看看我們現在的大部分網站，動不動就幾十個JS、CSS，一次六個，會造成后面大量的資源排隊等待；另外，只下載6個資源，對帶寬的利用率也是很低的。

打個比喻，一個工廠裝了100根水管，每次卻只能用其中6根接水，既慢，又浪費水管！

所以，我們前端性能優化中有一個最佳實踐：使用域名分區！

對啊，何必把自己只限制在一個主機上呢？我們可以手工將所有資源分散到多個子域名，由于主機名稱不一樣了，就可以突破瀏覽器的連接限制，實現更高的并行能力。

通過這種方式“欺騙”瀏覽器，這樣瀏覽器和服務器之間的并行傳輸數量就變多了。

域名分區使用得越多，并行能力就越強！

但是，域名分區也是有代價的！

實踐中，域名分區經常會被濫用。

例如，假設你的應用面向的是2G網絡的手機用戶，你分配了好幾個域名，同時加載十幾二十多個CSS、JS，這里的問題在于：

每一個域名都會多出來的DNS查詢開銷，這是額外的機器資源開銷和額外的網絡延時代價。2G網絡的DNS查詢可不像你公司的電腦一樣，相反可能是好幾秒的延遲
同時加載多個資源，以2G網絡那種小得可憐的帶寬來看，后果往往就是帶寬被占滿，每一個資源都下載得很慢
手機的耗電加快

所以在一些低帶寬高延時的場景，例如2G手機網絡，域名分區做過了的話，不光不會帶來前端性能的提升，反而會變成性能殺手。

域名分區是一種合理但又不完美的優化手段，最合適的辦法就是，從最小分區數目（不分區）開始，然后逐個增加分區并度量分區后對應用的影響，從而得到一個最優的域名數。

連接與拼合

我們前端性能優化中有這么一個所謂的最佳實踐原則：合并打包JS、CSS文件，以及做CSS sprite。

現在我們應該知道為什么要這樣做了，實際上就是因為現在HTTP 1.1的管道太弱了，這兩種技術的效果就好像是隱式地啟用了HTTP 管道：來自多個響應的數據前后相繼地連接在一起，消除了額外的網絡延遲。

實際上，就是把管道提高了一層，置入了應用中，也許到了HTTP 2.0時代，前端工程師就不用干這樣的活了吧？(HTTP 2.0的內容下篇講)

當然，連接拼合技術同樣有代價的。

例如CSS sprite，瀏覽器必須分析整個圖片，即便實際上只顯示了其中的一小塊，也要始終把整個圖片都保存在內存中。瀏覽器沒有辦法把不顯示的部分從內存中剔除掉。
再者，既然JS、CSS合并了，帶來的一般就是體積的增大，在帶寬有限的環境下（例如2G）下載時間就變長，一般導致的就是頁面渲染時間延后等后果。因為JavaScript 和CSS 處理器都不允許遞增式執行的，對于JavaScript 和CSS 的解析及執行，則要等到整個文件下載完畢。

打包文件到底多大合適呢？可惜的是，沒有理想的大小。然而，谷歌PageSpeed團隊的測試表明，30~50 KB（壓縮后）是每個JavaScript 文件大小的合適范圍：既大到了能夠減少小文件帶來的網絡延遲，還能確保遞增及分層式的執行。具體的結果可能會由于應用類型和腳本數量而有所不同。

資源內嵌

JavaScript 和CSS 代碼，通過適當的script 和style 塊可以直接放在頁面中，而圖片甚至音頻或PDF 文件，都可以通過數據URI（data:[mediatype][;base64],data）的方式嵌入到頁面中。

上面的這種方式我們稱為資源內嵌。

嵌入資源是另一種非常流行的優化方法，把資源嵌入文檔可以減少請求的次數。尤其在2G網絡等情況中，內嵌資源可以有效地減少多次請求帶來的時延。可以參考這篇文章在2G中的一些實踐。

當然，有缺點：

內嵌方式的資源，不能被瀏覽器、CDN 或其他緩存代理作為單獨的資源緩存。如果在多個頁面中都嵌入同樣的資源，那么這個資源將會隨著每個頁面的加載而被加載，從而增大每個頁面的總體大小。
如果嵌入資源更新，那么所有以前出現過它的頁面都將被宣告無效，而由客戶端重新從服務器獲取。
圖片等非文本性資源通過base64 編碼，會導致開銷明顯增大：編碼后的資源大小比原大小增大33%！

Google的磚家給出一些經驗：