深入研究：http2 的真正性能到底如何
一、研究目的
http2的概念提出已經有相當長一段時間了，而網上關于關于http2的文章也一搜一大把。但是從搜索的結果來看，現有的文章多是偏向于對http2的介紹，鮮有真正從數據上具體分析的。這篇文章正是出于填補這塊空缺內容的目的，通過一系列的實驗以及數據分析，對http2的性能進行深入研究。當然，由于本人技術有限，實驗所使用的方法肯定會有不足之處，如果各位看官有發現問題，還請向我提出，我一定會努力修改完善實驗的方法的！
二、基礎知識
通過學習相關資料，我們已經對HTTP2有了一個大致的認識，接下來將通過設計一個模型，對HTTP2的性能進行實驗測試。
三、實驗設計
設置實驗組：搭建一個HTTP2（SPDY）服務器，能夠以HTTP2的方式響應請求。同時，響應的內容大小，響應的延遲時間均可自定義。
設置對照組：搭建一個HTTP1.x服務器，以HTTP1.x的方式響應請求，其可自定義內容同實驗組。另外為了減少誤差，HTTP1.x服務器使用 https 協議。
測試過程：客戶端通過設置響應的內容大小、請求資源的數量、延遲時間、上下行帶寬等參數，分別對實驗組服務器和對照組服務器發起請求，統計響應完成所需時間。
由于 nginx 切換成http2需要升級 nginx 版本以及取得https證書，且在服務器端的多種自定義設置所涉及的操作環節相對復雜，綜合考慮之下放棄使用 nginx 作為實驗用服務器的方案，而是采用了 NodeJS 方案。在實驗的初始階段，使用了原生的 NodeJS 搭配 node-http2 模塊進行服務器搭建，后來改為了使用 express 框架搭配 node-spdy 模塊搭建。原因是，原生 NodeJS 對于復雜請求的處理非常復雜， express 框架對請求、響應等已經做了一系列的優化，可以有效減少人為的誤差。另外 node-http2 模塊無法與 express 框架兼容，同時它的性能較之 node-spdy 模塊也更低（ General performance, node-spdy vs node-http2 #98 ），而 node-spdy 模塊的功能與 node-http2 模塊基本一致。
1、服務器搭建
實驗組和對照組的服務器邏輯完全一致，關鍵代碼如下：
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)
})
其邏輯是，根據從客戶端傳入的參數，動態設置響應資源的大小和延遲時間。
2、客戶端搭建
客戶端可動態設置請求的次數、資源的數目、資源的大小和服務器延遲時間。同時搭配Chrome的開發者工具，可以人為模擬不同網絡環境。在資源請求響應結束后，會自動計算總耗時時間。關鍵代碼如下：
for (let i = 0; i < reqNum; i++) {
$.get(url, function (data) {
imageLoadTime(output, pageStart)
})
}
客戶端通過循環對資源進行多次請求，其數量可設置。每一次循環都會通過 imageLoadTime 更新時間，以實現時間統計的功能。
3、實驗項目
a. http2性能研究
通過研究章節二的文章內容，可以把http2的性能影響因素歸結于“延遲”和“請求數目”。本實驗增加了“資源體積”和“網絡環境”作為影響因素，下面將會針對這四項進行詳細的測試實驗。其中每一次實驗都會重復10次，取平均值后作記錄。
b. 服務端推送研究
http2還有一項非常特別的功能——服務端推送。服務端推送允許服務器主動向客戶端推送資源。本實驗也會針對這個功能展開研究，主要研究服務端推送的使用方法及其對性能的影響。
四、http2性能數據統計
1、延遲因素對性能的影響
| 條件/實驗次數 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| 延遲時間（ms） | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 |
| 資源數目（個） | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 資源大小（MB） | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| 統計時間（s）http1.x | 0.38 | 0.51 | 0.62 | 0.78 | 0.94 |
| 統計時間（s）http2 | 0.48 | 0.51 | 0.49 | 0.48 | 0.50 |
2、請求數目對性能的影響
通過上一個實驗，可以知道在延遲為10ms的時候，http1.x和http2的時間統計相近，故本次實驗延遲時間設置為10ms。
| 條件/實驗次數 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| 延遲時間（ms） | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
| 資源數目（個） | 6 | 30 | 150 | 750 | 3750 |
| 資源大小（MB） | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| 統計時間（s）http1.x | 0.04 | 0.16 | 0.63 | 3.03 | 20.72 |
| 統計時間（s）http2 | 0.04 | 0.16 | 0.71 | 3.28 | 19.34 |
增加延遲時間，重復實驗：
| 條件/實驗次數 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
|---|---|---|---|---|---|
| 延遲時間（ms） | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 |
| 資源數目（個） | 6 | 30 | 150 | 750 | 3750 |
| 資源大小（MB） | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| 統計時間（s）http1.x | 0.07 | 0.24 | 1.32 | 5.63 | 28.82 |
| 統計時間（s）http2 | 0.07 | 0.17 | 0.78 | 3.81 | 18.78 |
3、資源體積對性能的影響
通過上兩個實驗，可以知道在延遲為10ms，資源數目為30個的時候，http1.x和http2的時間統計相近，故本次實驗延遲時間設置為10ms，資源數目30個。
| 條件/實驗次數 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| 延遲時間（ms） | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
| 資源數目（個） | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 |
| 資源大小（MB） | 0.2 | 0.4 | 0.6 | 0.8 | 1.0 |
| 統計時間（s）http1.x | 0.21 | 0.37 | 0.59 | 0.68 | 0.68 |
| 統計時間（s）http2 | 0.25 | 0.45 | 0.61 | 0.83 | 0.73 |
| 條件/實驗次數 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
|---|---|---|---|---|---|
| 延遲時間（ms） | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
| 資源數目（個） | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 |
| 資源大小（MB） | 1.2 | 1.4 | 1.6 | 1.8 | 2.0 |
| 統計時間（s）http1.x | 0.78 | 0.94 | 1.02 | 1.07 | 1.13 |
| 統計時間（s）http2 | 0.92 | 0.86 | 1.08 | 1.26 | 1.33 |
4、網絡環境對性能的影響
通過上兩個實驗，可以知道在延遲為10ms，資源數目為30個的時候，http1.x和http2的時間統計相近，故本次實驗延遲時間設置為10ms，資源數目30個。
| 條件/網絡條件 | Regular 2G | Good 2G | Regular 3G | Good 3G | Regular 4G | Wifi |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 延遲時間（ms） | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
| 資源數目（個） | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 |
| 資源大小（MB） | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| 統計時間（s）http1.x | 222.66 | 116.64 | 67.37 | 32.82 | 11.89 | 0.87 |
| 統計時間（s）http2 | 138.06 | 71.02 | 40.77 | 20.82 | 7.70 | 0.94 |
五、http2服務端推送實驗
本實驗主要針對網絡環境對服務端推送速度的影響進行研究。在本實驗中，所請求/推送的資源都是一個體積為290Kb的JS文件。每一個網絡環境下都會重復十次實驗，取平均值后填入表格。
| 條件/網絡條件 | Regular 2G | Good 2G | Regular 3G | Good 3G | Regular 4G | Wifi |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 客戶端請求總耗時（s） | 9.59 | 5.30 | 3.21 | 1.57 | 0.63 | 0.12 |
| 服務端推送總耗時（s） | 18.83 | 10.46 | 6.31 | 3.09 | 1.19 | 0.20 |
| 資源加載速度-客戶端請求（s） | 9.24 | 5.13 | 3.08 | 1.50 | 0.56 | 0.08 |
| 資源加載速度-服務端推送（s） | 9.28 | 5.16 | 3.09 | 1.51 | 0.57 | 0.08 |
| 條件/網絡條件 | No Throttling |
|---|---|
| 客戶端請求總耗時（ms） | 56 |
| 服務端推送總耗時（ms） | 18 |
| 資源加載速度-客戶端請求（s） | 15.03 |
| 資源加載速度-服務端推送（s） | 2.80 |
從上述表格可以發現一個非常奇怪的現象，在開啟了網絡節流以后（包括Wifi選項），服務端推送的速度都遠遠比不上普通的客戶端請求，但是在關閉了網絡節流后，服務端推送的速度優勢非常明顯。在網絡節流的Wifi選項中，下載速度為30M/s，上傳速度為15M/s。而測試所用網絡的實際下載速度卻只有542K/s，上傳速度只有142K/s，遠遠達不到網絡節流Wifi選項的速度。為了分析這個原因，我們需要理解“服務端推送”的原理，以及推送過來的資源的存放位置在哪里。
普通的客戶端請求過程如下圖：
服務端推送的過程如下圖：
從上述原理圖可以知道，服務端推送能把客戶端所需要的資源伴隨著 index.html 一起發送到客戶端，省去了客戶端重復請求的步驟。正因為沒有發起請求，建立連接等操作，所以靜態資源通過服務端推送的方式可以極大地提升速度。但是這里又有一個問題，這些被推送的資源又是存放在哪里呢？參考了這篇文章 Issue 5: HTTP/2 Push 以后，終于找到了原因。我們可以把服務端推送過程的原理圖深入一下：
服務端推送過來的資源，會統一放在一個網絡與http緩存之間的一個地方，在這里可以理解為“本地”。當客戶端把 index.html 解析完以后，會向 本地 請求這個資源。由于資源已經本地化，所以這個請求的速度非常快，這也是服務端推送性能優勢的體現之一。當然，這個已經本地化的資源會返回200狀態碼，而非類似 localStorage 的304或者 200 (from cache) 狀態碼。Chrome的網絡節流工具， 會在任何“網絡請求”之間加入節流，由于服務端推送活來的靜態資源也是返回200狀態碼，所以Chrome會把它當作網絡請求來處理 ，于是導致了上述實驗所看到的問題。
六、研究結論
通過上述一系列的實驗，我們可以知道http2的性能優勢集中體現在“多路復用”和“服務端推送”上。對于請求數目較少（約小于30個）的情況下，http1.x和http2的性能差異不大，在請求數目較多且延遲大于30ms的情況下，才能體現http2的性能優勢。對于網絡狀況較差的環境，http2的性能也高于http1.x。與此同時，如果把靜態資源都通過服務端推送的方式來處理，加載速度會得到更加巨大的提升。
在實際的應用中，由于http2多路復用的優勢，前端應用團隊無須采取把多個文件合并成一個，生成雪碧圖之類的方法減少網絡請求。除此之外，http2對于前端開發的影響并不大。
服務端升級http2，如果是使用 NodeJS 方案，只需要把 node-http 模塊升級為 node-spdy 模塊，并加入證書即可。
若要使用服務端推送，則在服務端需要對響應的邏輯進行擴展，這個需要視情況具體分析實施。
七、后記
紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。如果不是真正的設計實驗、進行實驗，我可能根本不會知道原來http2也有坑，原來使用Chrome做調試的時候也有需要注意的地方。
希望這篇文章能夠對研究http2的同學有些許幫助吧，如文章開頭所說，如果你發現我的實驗設計有任何問題，或者你想到了更好的實驗方式，也歡迎向我提出，我一定會認真研讀你的建議的！
下面附送實驗所需源碼：
1、客戶端頁面
<!-- http1_vs_http2.html -->
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
<meta charset="UTF-8">
<title>http1 vs http2</title>
<script src="http://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++) {
$.get(url, function (data) {
console.log(server + ' data')
imageLoadTime(output, pageStart)
if (i === reqNum - 1) {
doneTip[index].innerHTML = '√ Finished!'
doneTip[index].style.color = 'lightgreen'
boxes[index].style.borderColor = 'lightgreen'
}
})
}
}
document.querySelector('.btn-1').onclick = function () {
clickEvents(0, 'https://localhost:1001/option?size=' + reqSize + '&delay=' + reqDelay, 'output-http1', 'http1.x')
}
document.querySelector('.btn-2').onclick = function () {
clickEvents(1, 'https://localhost:1002/option?size=' + reqSize + '&delay=' + reqDelay, 'output-http2', 'http2')
}
</script>
</body>
</html>
2、服務端代碼（http1.x與http2僅有一處不同）
const http = require('https') // 若為http2則把'https'模塊改為'spdy'模塊
const url = require('url')
const fs = require('fs')
const express = require('express')
const path = require('path')
const app = express()
const options = {
key: fs.readFileSync(`${__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服務器端口為1002
if (err) throw new Error(err)
console.log('Http1.x server listening on port 1001.')
})
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