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HTTP协议-3-HTTP/2是如何维持长连接的？

news 2025/8/18 13:57:29

先说结论：HTTP/2的“长连接” = 一个TCP连接 + 多路复用 + 二进制帧 + 流控制 + 持久会话管理
它不只是“连接不断”，更关键的是：在这个长连接上，可以同时并发传输成百上千个请求和响应，互不阻塞！

1、HTTP/2的“长连接”从哪开始？

和HTTP/1.1一样，HTTP/2也是基于TCP协议的。

首先会做的事情和HTTP1.1还是一样的，如：
1、客户端（比如浏览器）和服务器建立TCP连接
2、然后进行TLS握手（如果是HTTPS,可选）

握手完成后，客户端发送一个特殊的“连接前缀”（Connection Preface），如：

"PRI * HTTP/2.0\r\n\r\nSM\r\n\r\n"

它的作用是告诉服务器：
“我要用HTTP/2了，别当成HTTP/1.x处理。”

从此刻起，这个TCP连接就被“升级”为一个HTTP/2连接，并期望长期保持。

2、核心机制：多路复用（Multiplexing），让一个连接“变宽”

（1）、HTTP/1.1的问题（串行排队）

在HTTP/1.1中，即使有keep-alive，也只能：

发请求A → 等响应A → 发请求B → 等响应B → …
或者开6个TCP连接来并发（浪费资源）

这就像是：一条单车道公路，虽然可以供多辆汽车经过，但汽车只能一辆一辆走。

主要问题：

队头阻塞（Head-of-Line Blocking）：HTTP/1.1的每个请求必须串行发送（一个接一个），前一个请求未完成时，后续请求必须排队等待。例如，加载网页时，如果图片A的请求卡住了，CSS和JS的请求也会被堵住。
频繁建立连接：为了并行请求，浏览器通常会建立多个TCP连接（如6-8个），但频繁的连接建立和关闭会消耗资源。

（2）、HTTP/2的解决方案：多路复用

HTTP/2把所有请求和响应拆成小块（帧），然后在同一个TCP连接上交错发送。

这就像是： HTTP/2将一个TCP连接想象成一条多车道公路，每个请求和响应是不同的车辆（数据流），它们可以并行行驶（并发传输），互不干扰。

每个请求/响应对（如一个图片请求和它的响应）被分配一个唯一的Stream ID（流标识符），接收方通过这个ID将数据重新组装。
示例：
- 请求1（图片A）：Stream ID = 1
- 请求2（CSS文件）：Stream ID = 3
- 请求3（JS文件）：Stream ID = 5
- 这些请求的数据帧可以混合在同一个TCP连接上传输，服务器根据Stream ID分别处理。

效果：

单连接并发请求和处理：一个TCP连接可以同时处理数十甚至上百个请求，无需反复建立连接。
消除队头阻塞：即使某个请求的数据包丢失，其他请求的数据仍能继续传输。

3、关键技术：二进制分帧层（Binary Framing Layer）

这是实现多路复用的底层基础。

1、消息结构分层

HTTP/2把通信分成三层：
在这里插入图片描述

2、什么是Frame（帧）？

HTTP/1.1的文本格式问题：

HTTP/1.1的请求和响应使用纯文本格式（如GET /index.html HTTP/1.1），解析效率低，且冗余信息多（如重复的头部字段）。

HTTP/2的二进制分帧：

数据切片：HTTP/2将每个请求/响应拆分成多个帧（Frame），每个帧是二进制格式的小数据块。

帧有种类：

HEADERS帧：存放请求头或响应头（如Host、User-Agent）
DATA帧：存放请求体或响应体（如 HTML 内容）。
SETTINGS帧：配置参数
PING帧：心跳探测
RST_STREAM帧：取消某个流
GOAWAY帧：优雅关闭连接

每个帧的格式像这样：
在这里插入图片描述
注意：Stream ID它决定了这个帧属于哪个“对话”。

示例：

请求GET /image.jpg会被拆分为：
1、HEADERS帧（包含Host: example.com等头部）。
2、DATA帧（可能分多个，传输图片的二进制数据）。
服务器收到后，根据Stream ID和帧类型重组完整请求。

效果：

高效解析：二进制格式比文本解析更快。
减少冗余：通过头部压缩进一步优化。

3、什么是Stream（流）？

一个Stream是客户端和服务器之间的一个独立的双向数据流。
每个HTTP请求/响应对应一个或多个Stream。
每个Stream有唯一ID：
- 客户端发起的Stream ID是奇数（1, 3, 5…）
- 服务器发起的（如Server Push）是偶数

举例：

请求首页：Stream 1
请求CSS：Stream 3
请求JS：Stream 5
请求图片：Stream 7

这些Stream的帧可以在同一个TCP连接上混在一起发送：

[DATA帧, Stream=3]
[HEADERS帧, Stream=5]
[DATA帧, Stream=1]
[HEADERS帧, Stream=7] 
[DATA帧, Stream=3]

接收方根据Stream ID把属于同一个流的帧重新组装成完整请求或响应。

这就是多路复用：多个请求/响应并行在一个连接上传输，不互相阻塞！

4、头部压缩：减少重复信息的传输

HTTP/1.1的头部冗余：

每次请求都携带大量重复头部（如User-Agent、Cookie），占总传输量的50%以上。

HTTP/2的HPACK压缩：

静态表：预定义常用头部字段（如:method: GET、host），用短编码代替完整字段。
动态表：客户端和服务器维护一个共享的动态表，记录最近传输的头部值（如cookie: abc123），后续请求只需引用索引。
示例：
- 首次请求头部：:method: GET, host: example.com, user-agent: Chrome
  - 动态表记录这些值。
- 后续请求只需发送索引（如:method: 1, host: 2），大幅减少数据量。

效果：

头部体积减少50%-90%，提升传输效率。

5、服务器推送：主动发送资源

传统方式的延迟：

浏览器加载HTML后，发现需要CSS/JS文件，再发起新请求，增加往返延迟。

HTTP/2的服务器推送：

主动推送：服务器在客户端请求HTML时，预测客户端可能需要的资源（如CSS、JS），提前通过PUSH_PROMISE帧推送。
示例：
- 客户端请求index.html。
- 服务器响应HTML内容，并通过PUSH_PROMISE推送style.css和script.js。
- 客户端收到后，直接从本地缓存或推送数据中获取资源，无需额外请求。

效果：