HTTP/2 之服务器推送 (Server Push) 最佳实践

　　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。

　　

　　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。

　　

　　图2 无服务器推送的数据交互

　　

　　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。

　　

　　图4 推送测试HTML代码

　　

　　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)。

　　

　　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。

　　

　　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。

　　

　　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。

　　

　　

　　

　　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

　　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。

　　

　　图11、腾讯新闻页面

　　

　　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。

　　

　　图12、腾讯客服页面

　　

　　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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