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HTTP/2 之服务器推送 (Server Push) 最佳实践

发表日期:2018-01-14 19:53聚圣源浏览次数: 本文关键词:HTTP,之,服务器,推送,Server,Push,最佳,实

  HTTP/1.X出色地满足互联网的普遍访问需求,但随着互联网的不断发展,其性能越来越成为瓶颈。IETF在2015年发布了HTTP/2标准, 着重于提高HTTP的访问体验, HTTP2优势主要包括: 二进制传输、头部压缩、多路复用和服务器推送(ServerPush)。

  截止目前, 大部分CDN厂商已经宣布支持HTTP/2,然而”支持”大多省略了服务器推送(ServerPush)特性。估计这和nginx开源版本没有支持Server Push相关。为提供完备的HTTP2能力,腾讯CDN现已完成HTTP/2的Server Push支持,并完成了详细的性能测试。

  序言

  在介绍Server Push功能之前,先来分析网站的加载过程。图1是腾讯课堂(https://ke.qq.com/index.html)的时间瀑布图。

  a)首先浏览器请求主页面index.html,服务端响应内容;

  b)获取到主页应答,浏览器开始解析主页的html标签,发现构建DOM树还需要CSS, GIF, JS等资源;

  c)发起针对CSS,GIF,JS的内容请求;

  d)获取并解析JS和CSS等内容, 然后继续请求依赖资源。

  

HTTP/2 之服务器推送 (Server Push) 最佳实践

 

  图1 腾讯课堂域名的时间瀑布图

  图2是简化的浏览器和服务器的交互过程,横轴代表时间轴,每个虚线区间是1个RTT。红色竖线表示DOM 加载完成的时间。从图中可知,虽然存在并发传输, 但主页index.html和依赖的资源common.css、0684a8bf.css、comb.nowrap.0b772fee.js等总体上是顺序的,等待资源响应的时间减慢了主页面加载速度。并发传输并不能提高串行解析的资源访问体验。

  如果服务端接收到客户端主请求,能够“预测”主请求的依赖资源,在响应主请求的同时,主动并发推送依赖资源至客户端。客户端解析主请求响应后,可以”无延时”从本地缓存获取依赖资源, 减少访问延时, 提高访问体验,也加大了链路的并发能力。Server Push正是基于此原理来提高网络体验。

  

HTTP/2 之服务器推送 (Server Push) 最佳实践

 

  图2 无服务器推送的数据交互

  

HTTP/2 之服务器推送 (Server Push) 最佳实践

 

  图3 使用服务器推送的数据交互

  图3说明了若采用服务端推送的功能,则JS/CSS资源基本可以和HTML资源同步到达,浏览器可以“无延时”获取JS/CSS资源,客户端的延时最多可以减少一个RTT。

  构建一个简单的例子来验证我们的说法。图4所示为simple_push.html代码,页面依赖资源simple_push.js和simple_nopush.js,页面大小均不超过1KB,主要时间消耗在传输延时。如图5所示为推送simple_push.js和不推送simple_nopush.js的效果对比。

  

HTTP/2 之服务器推送 (Server Push) 最佳实践

 

  图4 推送测试HTML代码

  

HTTP/2 之服务器推送 (Server Push) 最佳实践

 

  图5 不推送&推送的效果对比

  我们上线了一个测试 demo网站 ( 点文字可直接访问 ) 。网页上展示一张世界地图,由400个小图片组成。对比三种访问方式:HTTP/1.1、HTTP/2(无Server Push)和 HTTP/2(Server Push)。Server Push选择推送第150~179个共30个小图。访问性能数据对比如图6所示:可以发现预推送比无推送有一定的性能提升(受网络延时和客户端行为影响,结果存在波动,后文有相应分析)。

  

HTTP/2 之服务器推送 (Server Push) 最佳实践

 

  图6 demo网站测试

  简要介绍了Server Push的优化原理之后,伴随而来的疑问,推送什么资源,怎么去推送,以及比其他优化技术有什么优势?读完本章,这些问题将一一得到解答,文章最后用实例展示Server Push的应用场景和性能优化效果。

  一、推送实现

  1.1. 标识依赖资源

  W3C 候 选推荐标准 ( 点文字可直接访问 ) 建议了依赖资源的两种做法:文件内标签和HTTP头部携带, 表示该资源后续会被使用, 可以预请求, 关键字preload修饰这个资源, 写法如下:

  a) 静态Link标签法:

  <linkrel="preload" as="style" href="push.css">

  b) HTTP头表示法: Link:<push.css>; rel=preload; as=style

  其中rel表明了资源是预加载的,as表明了资源的文件类型。另外,link还可以用nopush修饰,表示浏览器可能已经有该资源缓存,指示有推送能力的服务端不主动推送资源,只有当浏览器先检查到没有缓存,才去指示服务端推送资源,nopush格式写成: Link: ; rel=preload; as=script;nopush。

  1.2. 推送资源

  用户访问CDN,主要包括直接访问的边缘节点, 若干中间节点和客户源站,路径中的每层都可以对请求做分析,预测可能的依赖资源,通过插入静态标签或者增加响应头部返回给浏览器。 CDN的推送主要采用头部携带推送信息。

  a)客户端指定推送资源

  客户端通过url或者请求头说明需要的资源url,写法如下:

  或者:

  GET/simple_push.html HTTP/1.1

  Host: http2push.gtimg.com

  User-Agent:curl/7.49.1

  Accept: */*

  X-Push-Url:simple_push.js

  b)CDN节点指定推送资源

  CDN节点针对请求资源配置推送资源, 基础配置如下:

  location ~ “/simple_push.html$”

  { http2_server_push_url /simple_push.js }

  c)源站指定推送资源

  通过增加响应头link通知客户端或者CDN节点,后续希望推送的依赖资源,中间具有 推送功能的节点(如CDN节点)可以基于此信息进行资源请求与推送.

  1.3. 功能实现

  图7所示为CDN的Server Push架构, 基本流程如下:

  a) 用户请求到达服务器之后,依赖资源预测模块根据请求头或者配置预测浏览器需要的资源,该推送资源url必须是和主请求是同一host。如果不属于同一host,服务器拒绝推送资源。

  b) 服务器通过PUSH_PROMISE桢告诉浏览器准备推送的资源路径,该信息在原主请求流上发送,必须优先主请求响应发送,否则浏览器可能在推送资源到达前已经发起了依赖资源请求,造成重复和浪费.

  c) 依赖资源请求模块构造和主请求一样的请求信息,在本地或后端服务器请求推送资源, 并主动创建新的HTTP/2请求流,后续服务器就可以发送资源响应,推送资源响应在服务端创建的流上传输,主页面响应在原始流传输。

  

HTTP/2 之服务器推送 (Server Push) 最佳实践

 

  图7 CDN的Server Push模块改造示意图

  CDN节点的推送资源发送顺序在主请求响应之前,如图8所示,主要基于以下因素考量:

  d) 推送资源一般是静态的缓存命中率高的资源,如JS、CSS、字体和图片等。这些资源可以从源站预先推送并缓存到CDN节点。相比之下, 主页面变更较多,需要等待网络IO去源站取数据。同时,CDN边缘节点到浏览器的RTT一般是比CDN节点到源站的RTT更短。所以在取到主页面最新响应之前,有充足的时间去推送资源。

  e) 资源推送可以探测提高TCP拥塞窗口,窗口逐渐增大,后续可以一次性发送完主页面响应。TCP拥塞窗口对推送影响将在3.1节讨论。

  f) 在等待主请求响应的网络IO时间期间,推送资源可以是无优先级关系,资源推送优先级对推送影响将在3.2节讨论。

  

HTTP/2 之服务器推送 (Server Push) 最佳实践

 

  图8 推送时间点位于主页面响应之前

  二、Server Push技术对比

  2.1. 纵向对比

  Server Push相对应没有Server Push的具体提升如下:

  a) Nopush加载耗时:Tnopush = RTT+ max(RTT, size(HTML)/BandWidth)+size(JS)/BandWidth

  b) push耗时:Tpush = RTT + size(HTML)/BandWidth + size(JS)/BW

  c) 改善效率:diff =1 - Tpush/TnoPush

  所以决定推送是否有改善性能的衡量因素是size(HTML/BandWidth)和RTT谁大。这里引入BDP(BandWidth-Delay product, 带宽时延乘积)概念。BDP描述了单位时间内该带宽能传输的数据大小。如果size(HTML)<bdp,推荐使用push;反之不推荐使用push。< p="">

  2.2. 横向对比

  HTTP/1.1中有个资源内联(Resource Inlining)技术,把资源内容拷贝到HTML标签中。比如说<script>可以装载js的内容,<style>可以装载CSS的内容等。这样JS或者CSS的内容就会在第一个响应中推送给浏览器。虽然说它可以做到网站加速。但是它有很多server push没有的缺点。例如资源不能脱离HTML被浏览器单独缓存,并且这个资源在多个url中重复传输多遍。这在多个url共享这个资源的场景是不明智的做法。而使用Server Push,在CDN能适用更丰富的应用场景。

  三、使用场景分析

  理论上,在带宽足够的环境下,把需要的资源预先推送给客户端,必然能够节省获取资源时间,提升页面访问速度。但由于TCP慢启动、资源加载优先级、浏览器缓存等因素约束,我们在实际测试中发现,Server Push并不总能带来页面加载性能的提升。本节深入探讨下什么场景下的资源适合使用推送。

  3.1. TCP慢启动

  先复习下TCP慢启动特性:为了防止网络拥塞,TCP将放弃超出拥塞窗口大小的数据。只有当拥塞串口大小的数据传输完成,这个窗口大小将乘以2。如此,能够传输的数据以2的倍数增长。假设拥塞窗口大小为14kB,下图展示了某些情况下,推送比不推送的效率没有提升。

  

HTTP/2 之服务器推送 (Server Push) 最佳实践

  

  

  图9、tcp慢启动对服务器推送的影响

  对比图9中子图1和子图2,子图1虽然预推送了/style.css,但是第一次RTT只传输了/style.css的4KB数据,剩下的16KB在第2个RTT完成。子图1总共需要2个RTT的时间,和子图2没有进行推送用了同样多的时间。子图3使用了3RTT完成了整个网站的传输,这会比没有推送使用更多的时间。

  3.2. 资源加载优先级

  先看下面一个网站例子:

  <html>

  <head>

  <script src=”1.js”></script>

  <script src=”3.js”></scirpt>

  <script src=”4.js”></script>

  </head>

  <body></body>

  </html>

  其中1.js会调用2.js文件,3.js和4.js没有调用其他JS。

  正常没推送的例子加载时间表格会是

HTTP/2 之服务器推送 (Server Push) 最佳实践

  图10、资源加载优先级的nopush&push效果图

  可以看出是因为1.js的加载优先级本应该在3.js和4.js之前,但是预先推送了3.js和4.js,然而1.js需要重新请求,并触发2.js请求,导致等待1RTT接收2.js。所以Push比No Push的效率更差。

  3.3. 内核缓冲区

  HTTP/2的请求优先级并不能影响已经在内核发送缓冲区的数据。假设内核发送缓冲区大小比TCP拥塞串口大,导致服务端发送低优先级的数据,存在内核缓冲区。这时,后续有高优先级的响应必须等内核缓冲区空出才能被完成。假设我们访问一个HTML页面,这个HTML页面需要回源站取数据,而HTML需要的静态JS资源缓存在CDN边缘节点上。在回源站的等待时间内,把静态JS资源发送给浏览器。如果这时候静态JS资源很大,塞满了内核发送缓冲区,此时HTML响应已经到达CDN边缘节点,却不得不等内核缓冲区有空间才能继续发送。等待浏览器解析HTML内容后续的link请求也会被推迟。

  3.4. 浏览器缓存

  推送浏览器已缓存的资源有可能使的加载时间更长,并且浪费带宽资源。重复推送已缓存的资源,如果没有额外的空闲带宽传输,网络会阻塞它之后正常的请求,导致拖累了整个网站的加载时间。

  四、网站测试

  我们对现网一些网页进行Server Push性能测试,因为推送要求同一个域名下的HTTP/2请求,为了规避非HTTP/2和跨余名带来的干扰,我们设置了代理节点,代理节点完成HTTP/2支持和域名收归,同时配置Server Push功能,观察网页的加载收益。为了准确测试Push带来网络时延变化,需要稳定的网络环境,在chrome设置网络环境mytest(RTT: 200ms, Download:29Mb/s, Upload: 14Mb/s),以下的例子都在该网络环境进行测试。

  4.1. 腾讯新闻

  按照前面描述的推送适用场景,用这个腾讯新闻页面(https://news.qq.com/a/20171031/032143.htm)做测试。主请求页面大小为11.6K。可以看出,预先推送js、css、图片等资源给客户端带来的网站性能变快。

  

HTTP/2 之服务器推送 (Server Push) 最佳实践

 

  图11、腾讯新闻页面

  

HTTP/2 之服务器推送 (Server Push) 最佳实践

 

  图12、腾讯新闻页面的无推送&推送对比图

  4.2. 腾讯客服

  腾讯客服页面不支持HTTPS协议。之所以用这个页面是因为该网页页面主请求比较小,并且有JS、CSS触发的次优先级资源请求。我们把这个网页下载下来,并做了一些推送资源域名收归等必要的处理,放在CDN边缘节点做测试。这并没有改变网站的资源和请求顺序,不影响测试效果。

  图13是腾讯客服的页面。图14列出腾讯客服页面的所有请求。我们关注下具体几种情况的时间轴:无推送、推送小文件、推送大文件。小文件推送预先在第一个RTT把3个第3层请求才能触发的资源(tcss.ping.js、cdn_djl.js、layer.css)预先推送给浏览器。大文件推送是预先推送了indexBanner.png。

  从图14中的无推送和推送3个小文件的子图中,红色虚竖线是指不包括indexBanner.png的加载完成时间,由于3个小文件(尤其是次优先级请求tcss.ping.js)的提取推送,比无推送的时间延迟要短。但是又从无推送和推送大文件的子图中看到,如果无优先级顺序地推送大文件indexBanner.png(782KB)对缩短网站时延无帮助。

  

HTTP/2 之服务器推送 (Server Push) 最佳实践

 

  图12、腾讯客服页面

  

HTTP/2 之服务器推送 (Server Push) 最佳实践

 

  图13、无推送&推送小文件&推送大文件的对比图

  五、总结

  虽然本章的测试用例只是庞大互联网网页的冰山一角,文章不能覆盖各种网页场景。但是以下的一些总结建议是有实践意义的。

  a) 在合适的时机,推送合适的资源,Push比No Push带来的网站时延提升是明显的。在网络带宽足够承载推送资源的前提下,我们预先推送浏览器后续请求需要的资源,网站的整体加载时间得到缩短。但是现实网络环境有不一样的延时和带宽。慢速网络环境影响TCP拥塞窗口增长的速度,除非主页面请求足够小,Push才能看到效果。

  b) 即使是错误地实施某些推送策略(比如说推送过大文件),带来的最严重后果,也就是改善不明显。所以建议是多做一些推送策略的尝试,直到把合适的资源在合适的时机把资源推送给浏览器。

  c) 网站往HTTP/2的环境迁移是个趋势。迁往HTTP/2需要将页面的所有请求尽量收归到同一域名,并且剥离出主页面的资源文件成多个独立的请求。假如你的网站已迁移到HTTP/2,而且网站的主请求不大,但是可能会触发很多资源请求。建议push这些资源。另外不要推送存放在浏览器cookie的资源,这只会浪费带宽。

  d) 目前的Server Push推送机制没有解决浏览器已经具有资源缓存,而服务器已经推送到网络中,虽然浏览器可以发送RST桢拒绝推送流,但是服务器推送的资源已经在网络中等待浏览器接收。现在已经有一些规范草案(https://tools.ietf.org/html/draft-kazuho-h2-cache-digest-01)尝试用协商缓存摘要来解决问题。

  e) CDN中的负载均衡机制可能会将低优先级的推送资源送入到系统缓存区,这会影响高优先级资源的推送效率问题。引入QUIC替代TCP,可以对缓存中推送资源进行分级,高优先级资源先发。

  f) 未来或将引入AI分析取代固定推送实现智能化推送。

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