深入研究：http2 的真正性能到底如何
zhangyanan
8年前
<p style="text-align: center;"><img src="https://simg.open-open.com/show/b793cf8f4b59d32c8d774ee0d32160a9.jpg"></p> <h2><strong>一、研究目的</strong></h2> <p>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！</p> <h2><strong>二、基础知识</strong></h2> <p>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。</p> <h2><strong>三、实验设计</strong></h2> <p>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。</p> <p>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。</p> <p>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。</p> <p>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（ <a href="/misc/goto?guid=4959721637142707056" rel="nofollow,noindex">General performance, node-spdy vs node-http2 #98</a> ），而 node-spdy 模块的功能与 node-http2 模块基本一致。</p> <h3><strong>1、服务器搭建</strong></h3> <p>实验组和对照组的服务器逻辑完全一致，关键代码如下：</p> <pre> 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) })</pre> <p>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。</p> <h3><strong>2、客户端搭建</strong></h3> <p>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：</p> <pre> for (let i = 0; i < reqNum; i++) { $.get(url, function (data) { imageLoadTime(output, pageStart) }) }</pre> <p>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。</p> <p style="text-align: center;"><img src="https://simg.open-open.com/show/f249a9492b683cdcc31ecbb9fd126887.gif"></p> <h3><strong>3、实验项目</strong></h3> <p>a. http2性能研究</p> <p>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。</p> <p>b. 服务端推送研究</p> <p>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。</p> <h2><strong>四、http2性能数据统计</strong></h2> <h3><strong>1、延迟因素对性能的影响</strong></h3> <table> <thead> <tr> <th>条件/实验次数</th> <th>1</th> <th>2</th> <th>3</th> <th>4</th> <th>5</th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td>延迟时间（ms）</td> <td>0</td> <td>10</td> <td>20</td> <td>30</td> <td>40</td> </tr> <tr> <td>资源数目（个）</td> <td>100</td> <td>100</td> <td>100</td> <td>100</td> <td>100</td> </tr> <tr> <td>资源大小（MB）</td> <td>0.1</td> <td>0.1</td> <td>0.1</td> <td>0.1</td> <td>0.1</td> </tr> <tr> <td>统计时间（s）http1.x</td> <td>0.38</td> <td>0.51</td> <td>0.62</td> <td>0.78</td> <td>0.94</td> </tr> <tr> <td>统计时间（s）http2</td> <td>0.48</td> <td>0.51</td> <td>0.49</td> <td>0.48</td> <td>0.50</td> </tr> </tbody> </table> <p style="text-align: center;"><img src="https://simg.open-open.com/show/6f79ef91b834e1cb9cbdccf9596b2bec.png"></p> <h3><strong>2、请求数目对性能的影响</strong></h3> <p>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。</p> <table> <thead> <tr> <th>条件/实验次数</th> <th>1</th> <th>2</th> <th>3</th> <th>4</th> <th>5</th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td>延迟时间（ms）</td> <td>10</td> <td>10</td> <td>10</td> <td>10</td> <td>10</td> </tr> <tr> <td>资源数目（个）</td> <td>6</td> <td>30</td> <td>150</td> <td>750</td> <td>3750</td> </tr> <tr> <td>资源大小（MB）</td> <td>0.1</td> <td>0.1</td> <td>0.1</td> <td>0.1</td> <td>0.1</td> </tr> <tr> <td>统计时间（s）http1.x</td> <td>0.04</td> <td>0.16</td> <td>0.63</td> <td>3.03</td> <td>20.72</td> </tr> <tr> <td>统计时间（s）http2</td> <td>0.04</td> <td>0.16</td> <td>0.71</td> <td>3.28</td> <td>19.34</td> </tr> </tbody> </table> <p style="text-align: center;"><img src="https://simg.open-open.com/show/07fa3522e3601bc7fef0c45fdd35173e.png"></p> <p>增加延迟时间，重复实验：</p> <table> <thead> <tr> <th>条件/实验次数</th> <th>6</th> <th>7</th> <th>8</th> <th>9</th> <th>10</th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td>延迟时间（ms）</td> <td>30</td> <td>30</td> <td>30</td> <td>30</td> <td>30</td> </tr> <tr> <td>资源数目（个）</td> <td>6</td> <td>30</td> <td>150</td> <td>750</td> <td>3750</td> </tr> <tr> <td>资源大小（MB）</td> <td>0.1</td> <td>0.1</td> <td>0.1</td> <td>0.1</td> <td>0.1</td> </tr> <tr> <td>统计时间（s）http1.x</td> <td>0.07</td> <td>0.24</td> <td>1.32</td> <td>5.63</td> <td>28.82</td> </tr> <tr> <td>统计时间（s）http2</td> <td>0.07</td> <td>0.17</td> <td>0.78</td> <td>3.81</td> <td>18.78</td> </tr> </tbody> </table> <p style="text-align: center;"><img src="https://simg.open-open.com/show/84905c7fd2902a7847feb4321af90a88.png"></p> <h3><strong>3、资源体积对性能的影响</strong></h3> <p>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。</p> <table> <thead> <tr> <th>条件/实验次数</th> <th>1</th> <th>2</th> <th>3</th> <th>4</th> <th>5</th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td>延迟时间（ms）</td> <td>10</td> <td>10</td> <td>10</td> <td>10</td> <td>10</td> </tr> <tr> <td>资源数目（个）</td> <td>30</td> <td>30</td> <td>30</td> <td>30</td> <td>30</td> </tr> <tr> <td>资源大小（MB）</td> <td>0.2</td> <td>0.4</td> <td>0.6</td> <td>0.8</td> <td>1.0</td> </tr> <tr> <td>统计时间（s）http1.x</td> <td>0.21</td> <td>0.37</td> <td>0.59</td> <td>0.68</td> <td>0.68</td> </tr> <tr> <td>统计时间（s）http2</td> <td>0.25</td> <td>0.45</td> <td>0.61</td> <td>0.83</td> <td>0.73</td> </tr> </tbody> </table> <table> <thead> <tr> <th>条件/实验次数</th> <th>6</th> <th>7</th> <th>8</th> <th>9</th> <th>10</th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td>延迟时间（ms）</td> <td>10</td> <td>10</td> <td>10</td> <td>10</td> <td>10</td> </tr> <tr> <td>资源数目（个）</td> <td>30</td> <td>30</td> <td>30</td> <td>30</td> <td>30</td> </tr> <tr> <td>资源大小（MB）</td> <td>1.2</td> <td>1.4</td> <td>1.6</td> <td>1.8</td> <td>2.0</td> </tr> <tr> <td>统计时间（s）http1.x</td> <td>0.78</td> <td>0.94</td> <td>1.02</td> <td>1.07</td> <td>1.13</td> </tr> <tr> <td>统计时间（s）http2</td> <td>0.92</td> <td>0.86</td> <td>1.08</td> <td>1.26</td> <td>1.33</td> </tr> </tbody> </table> <p style="text-align: center;"><img src="https://simg.open-open.com/show/fe67a078619cb55fab41654cff603515.png"></p> <h3><strong>4、网络环境对性能的影响</strong></h3> <p>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。</p> <table> <thead> <tr> <th>条件/网络条件</th> <th>Regular 2G</th> <th>Good 2G</th> <th>Regular 3G</th> <th>Good 3G</th> <th>Regular 4G</th> <th>Wifi</th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td>延迟时间（ms）</td> <td>10</td> <td>10</td> <td>10</td> <td>10</td> <td>10</td> <td>10</td> </tr> <tr> <td>资源数目（个）</td> <td>30</td> <td>30</td> <td>30</td> <td>30</td> <td>30</td> <td>30</td> </tr> <tr> <td>资源大小（MB）</td> <td>0.1</td> <td>0.1</td> <td>0.1</td> <td>0.1</td> <td>0.1</td> <td>0.1</td> </tr> <tr> <td>统计时间（s）http1.x</td> <td>222.66</td> <td>116.64</td> <td>67.37</td> <td>32.82</td> <td>11.89</td> <td>0.87</td> </tr> <tr> <td>统计时间（s）http2</td> <td>138.06</td> <td>71.02</td> <td>40.77</td> <td>20.82</td> <td>7.70</td> <td>0.94</td> </tr> </tbody> </table> <p style="text-align: center;"><img src="https://simg.open-open.com/show/455a39f6c448c71a755ef9d7416ec2b4.png"></p> <h2><strong>五、http2服务端推送实验</strong></h2> <p>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。</p> <table> <thead> <tr> <th>条件/网络条件</th> <th>Regular 2G</th> <th>Good 2G</th> <th>Regular 3G</th> <th>Good 3G</th> <th>Regular 4G</th> <th>Wifi</th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td>客户端请求总耗时（s）</td> <td>9.59</td> <td>5.30</td> <td>3.21</td> <td>1.57</td> <td>0.63</td> <td>0.12</td> </tr> <tr> <td>服务端推送总耗时（s）</td> <td>18.83</td> <td>10.46</td> <td>6.31</td> <td>3.09</td> <td>1.19</td> <td>0.20</td> </tr> <tr> <td>资源加载速度-客户端请求（s）</td> <td>9.24</td> <td>5.13</td> <td>3.08</td> <td>1.50</td> <td>0.56</td> <td>0.08</td> </tr> <tr> <td>资源加载速度-服务端推送（s）</td> <td>9.28</td> <td>5.16</td> <td>3.09</td> <td>1.51</td> <td>0.57</td> <td>0.08</td> </tr> </tbody> </table> <table> <thead> <tr> <th>条件/网络条件</th> <th>No Throttling</th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td>客户端请求总耗时（ms）</td> <td>56</td> </tr> <tr> <td>服务端推送总耗时（ms）</td> <td>18</td> </tr> <tr> <td>资源加载速度-客户端请求（s）</td> <td>15.03</td> </tr> <tr> <td>资源加载速度-服务端推送（s）</td> <td>2.80</td> </tr> </tbody> </table> <p>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。</p> <p>普通的客户端请求过程如下图：</p> <p style="text-align: center;"><img src="https://simg.open-open.com/show/472cab678b739b1c1937fc3e1e7bba9a.png"></p> <p>服务端推送的过程如下图：</p> <p style="text-align: center;"><img src="https://simg.open-open.com/show/f975578e73fdd4cd6ab4aea3e9a113a7.png"></p> <p>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 <a href="/misc/goto?guid=4959721637237834710" rel="nofollow,noindex">Issue 5: HTTP/2 Push</a> 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：</p> <p style="text-align: center;"><img src="https://simg.open-open.com/show/c66ade377b919126c582004e23af005e.png"></p> <p>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 <strong>本地</strong> 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。</p> <h2><strong>六、研究结论</strong></h2> <p>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。</p> <p>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。</p> <p>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。</p> <p>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。</p> <h2><strong>七、后记</strong></h2> <p>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。</p> <p>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！</p> <p>下面附送实验所需源码：</p> <p>1、客户端页面</p> <pre> <!-- 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++) { $.get(url, function (data) { console.log(server + ' data') imageLoadTime(output, pageStart) if (i === reqNum - 1) { doneTip[index].innerHTML = '√ Finished!' doneTip[index].style.color = 'lightgreen' boxes[index].style.borderColor = 'lightgreen' } }) } } document.querySelector('.btn-1').onclick = function () { clickEvents(0, 'https://localhost:1001/option?size=' + reqSize + '&delay=' + reqDelay, 'output-http1', 'http1.x') } document.querySelector('.btn-2').onclick = function () { clickEvents(1, 'https://localhost:1002/option?size=' + reqSize + '&delay=' + reqDelay, 'output-http2', 'http2') } </script> </body> </html></pre> <p>2、服务端代码（http1.x与http2仅有一处不同）</p> <pre> const http = require('https') // 若为http2则把'https'模块改为'spdy'模块 const url = require('url') const fs = require('fs') const express = require('express') const path = require('path') const app = express() const options = { key: fs.readFileSync(`${__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.') })</pre> <p> </p> <p>来自：https://segmentfault.com/a/1190000007219256</p> <p> </p>