关于 iOS HTTP2.0 的一次学习实践

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

HTTP2.0

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: <base64url encoding of HTTP/2 SETTINGS payload>

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 <dlfcn.h>
    @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

• Jerry Qu的HTTP2.0合辑
• http2-协议协商过程
• h2-13 中文版
• Hypertext Transfer Protocol Version 2 (HTTP/2)
• HPACK: Header Compression for HTTP/2
• Wireshark抓包iOS入门教程
• iOS HTTP/2 Server Push 探索
• HTTP/2 on iOS
• HTTPS 与 HTTP2 协议分析
• http2讲解
• How to get HTTP protocol version from a given NSHTTPURLResponse?