SPDY、HTTP/2、QUIC协议

1 SPDY协议

1.1 概述

SPDY为speedy（单词原意：快速的）的缩写，读音也就是speedy。

SPDY协议已发布过4个草案，分别为版本1、2、3、3.1。目前版本4已在试验阶段，但未发布，Chromium里已有一些针对版本4的代码。

SPDY对比HTTP的优势：

1. 复用连接，可在一个TCP连接上传送多个资源。应对了TCP慢启动的特性。
2. 请求分优先级，重要的资源优先传送。
3. HTTP头部数据也被压缩，省流量。
4. 服务器端可主动连接客户端来推送资源（Server Push）。

缺点：

1. 单连接会因TCP线头阻塞（head-of-line blocking）的特性而传输速度受限。加上存在可能丢包的情况，其负面影响已超过压缩头部和优先级控制带来的好处。

由于这些缺点，SPDY在小网站（资源文件数量较少）的效果不明显，有可能比多并发连接更慢。（由此催生了QUIC）

1.2 协议层次

基于安全的考虑，SPDY规定建立在TLS之上，即URL scheme为https。发明者表示TLS的握手是在一定程度上占用了时间和流量，但网络安全是必然的趋势，所以不计较这一成本。协议层次如下：

   SPDY  ←  HTTP 
    ↓
   TLS   ←  NPN 
    ↓
   TCP

对比普通的HTTPS协议层次：

    HTTP 
     ↓
  SSL/TLS  
     ↓
    TCP

SPDY协议虽然在TLS基础上代替了HTTP协议，但SPDY的内容又包含了HTTP协议的内容，用设计模式来理解就是应用装饰者模式扩展了HTTP。

另外为了在TLS之上不使用标准规定的HTTP协议，为TLS扩展出NPN（Next Protocol Negotiation，协议协商）。

1.3 NPN

NPN简单来说就是在TLS的握手阶段增加一些字段来表明服务器端和客户端希望在TLS基础上使用HTTP之外的（SPDY）协议。NPN同样是Google提出的，为SPDY铺路。

Client端程序的实现是：握手前对OpenSSL（或封装它的库）设置可接受哪些协议，握手后获取服务器选择了哪个协议，然后按选择的协议进行通信。

1.4 数据格式

本节不会完整介绍SPDY，只讲重点，并假定读者熟悉HTTP协议而不解释SPDY中类似HTTP的概念。

SPDY把一次单向传输（服务器到客户端或客户端到服务器）的内容称作帧（frame），按协议组装帧内容称为装帧（framing）。帧内容分为头部（header）和载荷（payload），类似于HTTP的头部（header）和实体（entity），但有以下区别：

1. SPDY的头部都是8个字节，根据其中一些位的数值不同来表示不同的信息，并把HTTP的头部放到SPDY的载荷里。
2. HTTP的实体（除POST信息外）是文件数据（data），SPDY的载荷除了可以是文件数据还可以是其它信息。

根据载荷的内容，帧分为控制帧和数据帧。

控制帧的数据格式：

+----------------------------------+
|C| Version(15bits) | Type(16bits) |
+----------------------------------+
| Flags (8)  |  Length (24 bits)   |
+----------------------------------+
|               Data               |
+----------------------------------+

数据帧的数据格式：

+----------------------------------+
|C|       Stream-ID (31bits)       |
+----------------------------------+
| Flags (8)  |  Length (24 bits)   |
+----------------------------------+
|               Data               |
+----------------------------------+

各数据位的意义：

• C是第一个bit，值为0或1分别表示数据帧和控制帧。
• Version为SPDY协议版本号，目前为3。
• Type用作区分控制帧的类型。
• Flags标记一些操作指示，不同的Type有不同的Flag。常见的是FLAG_FIN表示一个Stream结束。
• Length表示Data的数据长度。
• Data也就是payload。数据帧的Data就是一个文件（HTML文档、图片、脚本等），控制帧的Data根据Type不同而有不同。
• Stream-ID记录流水号。

SPDY把一次HTTP Request/Response来回称作流（Stream），因为复用TCP连接，所以一个SPDY连接里会有多个流。为了区分不同的流，用Stream-ID来标记流水号（注：因为可以reload，所以不能以URL来确定一个流）。Stream-ID还存在于4种控制帧（SYN_STREAM、SYN_REPLY、RST_STREAM、HEADERS）的payload里。

控制帧的8种类型及作用：

1. SYN_STREAM：创建流，在payload里携带请求（Request）。
2. SYN_REPLY：回复创建流，在payload里携带HTTP头部。注意：SPDY把HTTP response拆开，response header放在控制帧SYN_REPLY的payload里并经过压缩，response entity放在数据帧里。
3. RST_STREAM：报告流错误，payload里携带错误类型。
4. SETTINGS：查询或设置控制信息。可处理的信息有8种：上传带宽、下载带宽、Round Trip时间、最大并行流数量、TCP的CWND值、下载重传率、初始窗口（Window）值、证书数量。
5. PING：一种机制来测量Round Trip时间。
6. GOAWAY：通知即将断开TCP连接。
7. HEADERS：可做补充SVN_REPLY中的response header，或传递私有信息，特定的应用可用做自定义的扩展。
8. WINDOW_UPDATE：设置窗口大小。

下图为帧格式的整理参考（需对照协议文档来理解具体意义，可跳过，点击查看大图）：