写于 2016.10.19
一、研究目的
HTTP2的概念提出已经有相当长一段时间了，而网上关于关于http2的文章也一搜一大把。但是从搜索的结果来看，现有的文章多是偏向于对http2的介绍，鲜有真正从数据上具体分析的。这篇文章正是出于填补这块空缺内容的目的，通过一系列的实验以及数据分析，对http2的性能进行深入研究。当然，由于本人技术有限，实验所使用的方法肯定会有不足之处，如果各位看官有发现问题，还请向我提出，我一定会努力修改完善实验的方法的！
二、基础知识
关于HTTP2的基础知识，可以参考下列几篇文章，在这里就不进行赘述了。
- HTTP,HTTP2.0,SPDY,HTTPS你应该知道的一些事，
- HTTP 2.0的那些事
- HTTP2.0的奇妙日常
- 一分钟预览 HTTP2 特性和抓包分析
- HTTP/2 for web application developers
- 7 Tips for Faster HTTP/2 Performance
通过学习相关资料，我们已经对HTTP2有了一个大致的认识，接下来将通过设计一个模型，对HTTP2的性能进行实验测试。
三、实验设计
设置实验组：搭建一个HTTP2（SPDY）服务器，能够以HTTP2的方式响应请求。同时，响应的内容大小，响应的延迟时间均可自定义。
设置对照组：搭建一个HTTP1.x服务器，以HTTP1.x的方式响应请求，其可自定义内容同实验组。另外为了减少误差，HTTP1.x服务器使用https协议。
测试过程：客户端通过设置响应的内容大小、请求资源的数量、延迟时间、上下行带宽等参数，分别对实验组服务器和对照组服务器发起请求，统计响应完成所需时间。
由于
nginx切换成http2需要升级nginx版本以及取得https证书，且在服务器端的多种自定义设置所涉及的操作环节相对复杂，综合考虑之下放弃使用nginx作为实验用服务器的方案，而是采用了NodeJS方案。在实验的初始阶段，使用了原生的NodeJS搭配node-http2模块进行服务器搭建，后来改为了使用express框架搭配node-spdy模块搭建。原因是，原生NodeJS对于复杂请求的处理非常复杂，express框架对请求、响应等已经做了一系列的优化，可以有效减少人为的误差。另外node-http2模块无法与express框架兼容，同时它的性能较之node-spdy模块也更低（General performance, node-spdy vs node-http2 #98），而node-spdy模块的功能与node-http2模块基本一致。
1、服务器搭建
实验组和对照组的服务器逻辑完全一致，关键代码如下：
app.get('/option/?', (req, res) => {
allow(res)
let size = req.query['size']
let delay = req.query['delay']
let buf = new Buffer(size * 1024 * 1024)
setTimeout(() => {
res.send(buf.toString('utf8'))
}, delay)
})
其逻辑是，根据从客户端传入的参数，动态设置响应资源的大小和延迟时间。
2、客户端搭建
客户端可动态设置请求的次数、资源的数目、资源的大小和服务器延迟时间。同时搭配Chrome的开发者工具，可以人为模拟不同网络环境。在资源请求响应结束后，会自动计算总耗时时间。关键代码如下：
for (let i = 0; i < reqNum; i++) {
$.get(url, function (data) {
imageLoadTime(output, pageStart)
})
}
客户端通过循环对资源进行多次请求，其数量可设置。每一次循环都会通过imageLoadTime更新时间，以实现时间统计的功能。
3、实验项目
a. http2性能研究
通过研究章节二的文章内容，可以把http2的性能影响因素归结于“延迟”和“请求数目”。本实验增加了“资源体积”和“网络环境”作为影响因素，下面将会针对这四项进行详细的测试实验。其中每一次实验都会重复10次，取平均值后作记录。
b. 服务端推送研究
http2还有一项非常特别的功能——服务端推送。服务端推送允许服务器主动向客户端推送资源。本实验也会针对这个功能展开研究，主要研究服务端推送的使用方法及其对性能的影响。
四、HTTP2 性能数据统计
1、延迟因素对性能的影响
| 条件/实验次数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| 延迟时间（ms） | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 |
| 资源数目（个） | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 资源大小（MB） | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| 统计时间（s）http1.x | 0.38 | 0.51 | 0.62 | 0.78 | 0.94 |
| 统计时间（s）http2 | 0.48 | 0.51 | 0.49 | 0.48 | 0.50 |
2、请求数目对性能的影响
通过上一个实验，可以知道在延迟为10ms的时候，http1.x和http2的时间统计相近，故本次实验延迟时间设置为10ms。
| 条件/实验次数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| 延迟时间（ms） | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
| 资源数目（个） | 6 | 30 | 150 | 750 | 3750 |
| 资源大小（MB） | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| 统计时间（s）http1.x | 0.04 | 0.16 | 0.63 | 3.03 | 20.72 |
| 统计时间（s）http2 | 0.04 | 0.16 | 0.71 | 3.28 | 19.34 |
增加延迟时间，重复实验：
| 条件/实验次数 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
|---|---|---|---|---|---|
| 延迟时间（ms） | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 |
| 资源数目（个） | 6 | 30 | 150 | 750 | 3750 |
| 资源大小（MB） | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| 统计时间（s）http1.x | 0.07 | 0.24 | 1.32 | 5.63 | 28.82 |
| 统计时间（s）http2 | 0.07 | 0.17 | 0.78 | 3.81 | 18.78 |
3、资源体积对性能的影响
通过上两个实验，可以知道在延迟为10ms，资源数目为30个的时候，http1.x和http2的时间统计相近，故本次实验延迟时间设置为10ms，资源数目30个。
| 条件/实验次数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| 延迟时间（ms） | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
| 资源数目（个） | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 |
| 资源大小（MB） | 0.2 | 0.4 | 0.6 | 0.8 | 1.0 |
| 统计时间（s）http1.x | 0.21 | 0.37 | 0.59 | 0.68 | 0.68 |
| 统计时间（s）http2 | 0.25 | 0.45 | 0.61 | 0.83 | 0.73 |
| 条件/实验次数 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
|---|---|---|---|---|---|
| 延迟时间（ms） | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
| 资源数目（个） | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 |
| 资源大小（MB） | 1.2 | 1.4 | 1.6 | 1.8 | 2.0 |
| 统计时间（s）http1.x | 0.78 | 0.94 | 1.02 | 1.07 | 1.13 |
| 统计时间（s）http2 | 0.92 | 0.86 | 1.08 | 1.26 | 1.33 |
4、网络环境对性能的影响
通过上两个实验，可以知道在延迟为10ms，资源数目为30个的时候，http1.x和http2的时间统计相近，故本次实验延迟时间设置为10ms，资源数目30个。
| 条件/网络条件 | Regular 2G | Good 2G | Regular 3G | Good 3G | Regular 4G | Wifi |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 延迟时间（ms） | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
| 资源数目（个） | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 |
| 资源大小（MB） | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| 统计时间（s）http1.x | 222.66 | 116.64 | 67.37 | 32.82 | 11.89 | 0.87 |
| 统计时间（s）http2 | 138.06 | 71.02 | 40.77 | 20.82 | 7.70 | 0.94 |
五、HTTP2 服务端推送实验
本实验主要针对网络环境对服务端推送速度的影响进行研究。在本实验中，所请求/推送的资源都是一个体积为290Kb的JS文件。每一个网络环境下都会重复十次实验，取平均值后填入表格。
| 条件/网络条件 | Regular 2G | Good 2G | Regular 3G | Good 3G | Regular 4G | Wifi |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 客户端请求总耗时（s） | 9.59 | 5.30 | 3.21 | 1.57 | 0.63 | 0.12 |
| 服务端推送总耗时（s） | 18.83 | 10.46 | 6.31 | 3.09 | 1.19 | 0.20 |
| 资源加载速度-客户端请求（s） | 9.24 | 5.13 | 3.08 | 1.50 | 0.56 | 0.08 |
| 资源加载速度-服务端推送（s） | 9.28 | 5.16 | 3.09 | 1.51 | 0.57 | 0.08 |
| 条件/网络条件 | No Throttling |
|---|---|
| 客户端请求总耗时（ms） | 56 |
| 服务端推送总耗时（ms） | 18 |
| 资源加载速度-客户端请求（s） | 15.03 |
| 资源加载速度-服务端推送（s） | 2.80 |
从上述表格可以发现一个非常奇怪的现象，在开启了网络节流以后（包括Wifi选项），服务端推送的速度都远远比不上普通的客户端请求，但是在关闭了网络节流后，服务端推送的速度优势非常明显。在网络节流的Wifi选项中，下载速度为30M/s，上传速度为15M/s。而测试所用网络的实际下载速度却只有542K/s，上传速度只有142K/s，远远达不到网络节流Wifi选项的速度。为了分析这个原因，我们需要理解“服务端推送”的原理，以及推送过来的资源的存放位置在哪里。
普通的客户端请求过程如下图：
服务端推送的过程如下图：
从上述原理图可以知道，服务端推送能把客户端所需要的资源伴随着index.html一起发送到客户端，省去了客户端重复请求的步骤。正因为没有发起请求，建立连接等操作，所以静态资源通过服务端推送的方式可以极大地提升速度。但是这里又有一个问题，这些被推送的资源又是存放在哪里呢？参考了这篇文章Issue 5: HTTP/2 Push以后，终于找到了原因。我们可以把服务端推送过程的原理图深入一下：
服务端推送过来的资源，会统一放在一个网络与http缓存之间的一个地方，在这里可以理解为“本地”。当客户端把index.html解析完以后，会向本地请求这个资源。由于资源已经本地化，所以这个请求的速度非常快，这也是服务端推送性能优势的体现之一。当然，这个已经本地化的资源会返回200状态码，而非类似localStorage的304或者200 (from cache)状态码。Chrome的网络节流工具，会在任何“网络请求”之间加入节流，由于服务端推送活来的静态资源也是返回200状态码，所以Chrome会把它当作网络请求来处理，于是导致了上述实验所看到的问题。
六、研究结论
通过上述一系列的实验，我们可以知道http2的性能优势集中体现在“多路复用”和“服务端推送”上。对于请求数目较少（约小于30个）的情况下，http1.x和http2的性能差异不大，在请求数目较多且延迟大于30ms的情况下，才能体现http2的性能优势。对于网络状况较差的环境，http2的性能也高于http1.x。与此同时，如果把静态资源都通过服务端推送的方式来处理，加载速度会得到更加巨大的提升。
在实际的应用中，由于http2多路复用的优势，前端应用团队无须采取把多个文件合并成一个，生成雪碧图之类的方法减少网络请求。除此之外，http2对于前端开发的影响并不大。
服务端升级http2，如果是使用NodeJS方案，只需要把node-http模块升级为node-spdy模块，并加入证书即可。nginx方案的话可以参考这篇文章：Open Source NGINX 1.9.5 Released with HTTP/2 Support
若要使用服务端推送，则在服务端需要对响应的逻辑进行扩展，这个需要视情况具体分析实施。
七、后记
纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。如果不是真正的设计实验、进行实验，我可能根本不会知道原来http2也有坑，原来使用Chrome做调试的时候也有需要注意的地方。
希望这篇文章能够对研究http2的同学有些许帮助吧，如文章开头所说，如果你发现我的实验设计有任何问题，或者你想到了更好的实验方式，也欢迎向我提出，我一定会认真研读你的建议的！
下面附送实验所需源码： 1、客户端页面
<!-- http1_vs_http2.html -->
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
<meta charset="UTF-8">
<title>http1 vs http2</title>
<script src="//cdn.bootcss.com/jquery/1.9.1/jquery.min.js"></script>
<style>
.box {
float: left;
width: 200px;
margin-right: 100px;
margin-bottom: 50px;
padding: 20px;
border: 4px solid pink;
font-family: Microsoft Yahei;
}
.box h2 {
margin: 5px 0;
}
.box .done {
color: pink;
font-weight: bold;
font-size: 18px;
}
.box button {
padding: 10px;
display: block;
margin: 10px 0;
}
</style>
</head>
<body>
<div class="box">
<h2>Http1.x</h2>
<p>Time: <span id="output-http1"></span></p>
<p class="done done-1">× Unfinished...</p>
<button class="btn-1">Get Response</button>
</div>
<div class="box">
<h2>Http2</h2>
<p>Time: <span id="output-http2"></span></p>
<p class="done done-1">× Unfinished...</p>
<button class="btn-2">Get Response</button>
</div>
<div class="box">
<h2>Options</h2>
<p>Request Num: <input type="text" id="req-num"></p>
<p>Request Size (Mb): <input type="text" id="req-size"></p>
<p>Request Delay (ms): <input type="text" id="req-delay"></p>
</div>
<script>
function imageLoadTime(id, pageStart) {
let lapsed = Date.now() - pageStart;
document.getElementById(id).innerHTML = ((lapsed) / 1000).toFixed(2) + 's'
}
let boxes = document.querySelectorAll('.box')
let doneTip = document.querySelectorAll('.done')
let reqNumInput = document.querySelector('#req-num')
let reqSizeInput = document.querySelector('#req-size')
let reqDelayInput = document.querySelector('#req-delay')
let reqNum = 100
let reqSize = 0.1
let reqDelay = 300
reqNumInput.value = reqNum
reqSizeInput.value = reqSize
reqDelayInput.value = reqDelay
reqNumInput.onblur = function () {
reqNum = reqNumInput.value
}
reqSizeInput.onblur = function () {
reqSize = reqSizeInput.value
}
reqDelayInput.onblur = function () {
reqDelay = reqDelayInput.value
}
function clickEvents(index, url, output, server) {
doneTip[index].innerHTML = '× Unfinished...'
doneTip[index].style.color = 'pink'
boxes[index].style.borderColor = 'pink'
let pageStart = Date.now()
for (let i = 0; i < reqNum; i++) {
$.get(url, function (data) {
console.log(server + ' data')
imageLoadTime(output, pageStart)
if (i === reqNum - 1) {
doneTip[index].innerHTML = '√ Finished!'
doneTip[index].style.color = 'lightgreen'
boxes[index].style.borderColor = 'lightgreen'
}
})
}
}
document.querySelector('.btn-1').onclick = function () {
clickEvents(0, 'https://localhost:1001/option?size=' + reqSize + '&delay=' + reqDelay, 'output-http1', 'http1.x')
}
document.querySelector('.btn-2').onclick = function () {
clickEvents(1, 'https://localhost:1002/option?size=' + reqSize + '&delay=' + reqDelay, 'output-http2', 'http2')
}
</script>
</body>
</html>
2、服务端代码（http1.x与http2仅有一处不同）
const http = require('https') // 若为http2则把'https'模块改为'spdy'模块
const url = require('url')
const fs = require('fs')
const express = require('express')
const path = require('path')
const app = express()
const options = {
key: fs.readFileSync(`${__dirname}/server.key`),
cert: fs.readFileSync(`${__dirname}/server.crt`)
}
const allow = (res) => {
res.header("Access-Control-Allow-Origin", "*")
res.header("Access-Control-Allow-Headers", "X-Requested-With")
res.header("Access-Control-Allow-Methods","PUT,POST,GET,DELETE,OPTIONS")
}
app.set('views', path.join(__dirname, 'views'))
app.set('view engine', 'ejs')
app.use(express.static(path.join(__dirname, 'static')))
app.get('/option/?', (req, res) => {
allow(res)
let size = req.query['size']
let delay = req.query['delay']
let buf = new Buffer(size * 1024 * 1024)
setTimeout(() => {
res.send(buf.toString('utf8'))
}, delay)
})
http.createServer(options, app).listen(1001, (err) => { // http2服务器端口为1002
if (err) throw new Error(err)
console.log('Http1.x server listening on port 1001.')
})
