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【Nginx源碼分析】Nginx中http2淺析

孫吉亮 / 3621人閱讀

摘要：主要涉及到的協議以及的處理流程。并且中必須建立在協議之上。所以對協議的服務發起請求時，一般瀏覽器會建立條連接，并行的去請求不同的資源。表明該字段是否使用了編碼。

運營研發 張仕華

本文通過一個小例子串一遍nginx處理http2的流程。主要涉及到http2的協議以及nginx的處理流程。

http2簡介

http2比較http1.1主要有如下五個方面的不同：

二進制協議

http1.1請求行和請求頭部都是純文本編碼,即可以直接按ascii字符解釋，而http2是有自己的編碼格式。并且nginx中http2必須建立在ssl協議之上。

頭部壓縮

舉個例子,HTTP1.1傳一個header ,需要11個字符.http2中有一個靜態索引表，客戶端傳索引鍵，例如1，nginx通過查表能知道1代表method: GET.nginx中除了該靜態表，還會有一個動態表，保存例如host這種變化的頭部

多路復用

http1.1一個連接上只能傳輸一個請求，當一個請求結束之后才能傳輸下一個請求。所以對http1.1協議的服務發起請求時，一般瀏覽器會建立6條連接，并行的去請求不同的資源。而http2的二進制協議中有一個frame的概念，每個frame有自己的id,所以一個連接上可以同時多路復用傳輸多個不同id的frame

主動push

http1.1是請求-響應模型，而http2可以主動給客戶端推送資源

優先級

既然多路復用，所有數據跑在了一條通道上，必然會有優先級的需求

本文的例子主要通過解析報文說明頭三個特性

配置環境

NGINX配置如下：

    server {
        listen 8443 ssl http2;
        access_log  logs/host_server2.access.log  main;
        ssl_certificate /home/xiaoju/nginx-2/nginx-selfsigned.crt;
        ssl_certificate_key /home/xiaoju/nginx-2/nginx-selfsigned.key;
        ssl_ciphers EECDH+CHACHA20:EECDH+AES128:RSA+AES128:EECDH+AES256:RSA+AES256:EECDH+3DES:RSA+3DES:!MD5;

        location / {
            root   html;
            index  index.html index.htm /abc.html;
            access_log  logs/host_location3.access.log  main;
            http2_push /favicon.ico;
            http2_push /nginx.png;
        }
    }

客戶端按如下方式發起請求:

curl  -k  -I   -L https://IP:8443
HTTP/2 200  //可以看到，返回是http/2
server: nginx/1.14.0
date: Tue, 11 Dec 2018 09:20:33 GMT
content-type: text/html
content-length: 664
last-modified: Tue, 11 Dec 2018 04:19:32 GMT
etag: "5c0f3ad4-298"
accept-ranges: bytes
請求解析 客戶端請求問題

先思考一個問題，上文配置中使用curl發送請求時,為何直接返回的是http/2,而不是http/1.1(雖然服務端配置了使用http2,但萬一客戶端未支持http2協議，直接返回http2客戶端會解析不了)

因為nginx中http2必須在ssl之上，所以我們首先通過在nginx代碼中的ssl握手部分打斷點gdb跟一下.

(gdb) b ngx_ssl_handshake_handler  //ssl握手函數
Breakpoint 1 at 0x47ddb5: file src/event/ngx_event_openssl.c, line 1373.
(gdb) c
Continuing.
Breakpoint 1, ngx_ssl_handshake_handler (ev=0x16141f0) at src/event/ngx_event_openssl.c:1373
1373    {

1390        c->ssl->handler(c); //實際處理邏輯位于ngx_http_ssl_handshake_handler
(gdb) s
ngx_http_ssl_handshake_handler (c=0x15da400) at src/http/ngx_http_request.c:782
782    {

(gdb) n
805            if (hc->addr_conf->http2) { //配置http2后hc->addr_conf->http2標志位為1

(gdb) n
808                SSL_get0_alpn_selected(c->ssl->connection, &data, &len);//從ssl協議中取出alpn


(gdb) n
820                if (len == 2 && data[0] == "h" && data[1] == "2") { //如果為h2,說明客戶端支持升級到http2協議

(gdb) n
821                    ngx_http_v2_init(c->read);//開始進入http2的初始化階段

簡單說就是通過ssl協議握手階段獲取一個alpn相關的配置，如果是h2，就進入http2的處理流程。我們通過wireshark抓包可以更直觀的看出這個流程

如上圖，在ssl握手中的Client Hello 階段有一個協議擴展alpn

http2報文格式

http2 以一個preface開頭，接著是一個個的frame,其中每個frame都有一個header,如下：

其中length代表frame內容的長度,type表明frame的類型,flag給frame做一些特殊的標記,sid代表的就是frame的id.

其中 frame有如下10種類型

#define NGX_HTTP_V2_DATA_FRAME           0x0 //body數據
#define NGX_HTTP_V2_HEADERS_FRAME        0x1 //header數據
#define NGX_HTTP_V2_PRIORITY_FRAME       0x2 //優先級設置
#define NGX_HTTP_V2_RST_STREAM_FRAME     0x3 //重置一個stream
#define NGX_HTTP_V2_SETTINGS_FRAME       0x4 //其他設置項，例如是否開啟push,同時能夠處理的stream數量等
#define NGX_HTTP_V2_PUSH_PROMISE_FRAME   0x5 //push
#define NGX_HTTP_V2_PING_FRAME           0x6 //ping
#define NGX_HTTP_V2_GOAWAY_FRAME         0x7 //goaway.發送此frame后會重新建立連接
#define NGX_HTTP_V2_WINDOW_UPDATE_FRAME  0x8 //窗口更新 流控使用
#define NGX_HTTP_V2_CONTINUATION_FRAME   0x9 //當一個frame發送不完數據時，可以按continuation格式繼續發送

frame ID在客戶端按奇數遞增，例如1，3，5，偶數型id留給服務端推送push時使用，設置連接屬性相關的frame id都為0

flags有如下定義：

#define NGX_HTTP_V2_NO_FLAG              0x00 //未設置
#define NGX_HTTP_V2_ACK_FLAG             0x01 //ack flag
#define NGX_HTTP_V2_END_STREAM_FLAG      0x01 //結束stream
#define NGX_HTTP_V2_END_HEADERS_FLAG     0x04 //結束headers
#define NGX_HTTP_V2_PADDED_FLAG          0x08 //填充flag
#define NGX_HTTP_V2_PRIORITY_FLAG        0x20 //優先級設置flag

如下是一個http頭類型frame具體的內容格式：

padded和priority由上文頭部的flag決定是否有這兩字段。接下來占8bit的flag決定header是否需要索引，如果需要，索引號是多少。

huff(1)表明該字段是否使用了huffman編碼。header_value_len(7)和header_value是具體頭字段的value值

如下是一個設置相關的frame

如下是一個窗口更新的frame

下邊我們看一個具體的例子，來更直觀的了解下。

http2報文解析

新版本的curl有一個–http2參數，可以直接指明使用http2進行通訊。我們將客戶端命令修改如下：

curl --http2 -k  -I   -L https://10.96.79.14:8443

通過上邊的gdb跟蹤，我們看到http2初始化入口函數為ngx_http_v2_init，直接在此處打斷點，繼續跟蹤代碼.跟蹤過程不再詳細描述，當把報文讀取進緩存之后，我們直接在gdb中bt查看調用路徑，如下：

#0  ngx_http_v2_state_preface (h2c=0x15a9310, pos=0x164b0b0 "PRI * HTTP/2.0

SM

", end=0x164b11e "")
    at src/http/v2/ngx_http_v2.c:713
#1  0x00000000004bca20 in ngx_http_v2_read_handler (rev=0x16141f0) at src/http/v2/ngx_http_v2.c:415
#2  0x00000000004bcf8a in ngx_http_v2_init (rev=0x16141f0) at src/http/v2/ngx_http_v2.c:328
#3  0x0000000000490a13 in ngx_http_ssl_handshake_handler (c=0x15da400) at src/http/ngx_http_request.c:821
#4  0x000000000047de24 in ngx_ssl_handshake_handler (ev=0x16141f0) at src/event/ngx_event_openssl.c:1390
#5  0x0000000000479637 in ngx_epoll_process_events (cycle=0x1597e30, timer=, flags=)
    at src/event/modules/ngx_epoll_module.c:902
#6  0x000000000046f9db in ngx_process_events_and_timers (cycle=0x1597e30) at src/event/ngx_event.c:242
#7  0x000000000047761c in ngx_worker_process_cycle (cycle=0x1597e30, data=) at src/os/unix/ngx_process_cycle.c:750
#8  0x0000000000475c50 in ngx_spawn_process (cycle=0x1597e30, proc=0x477589 , data=0x0,
    name=0x684922 "worker process", respawn=-3) at src/os/unix/ngx_process.c:199
#9  0x00000000004769aa in ngx_start_worker_processes (cycle=0x1597e30, n=1, type=-3) at src/os/unix/ngx_process_cycle.c:359
#10 0x0000000000477cb0 in ngx_master_process_cycle (cycle=0x1597e30) at src/os/unix/ngx_process_cycle.c:131
#11 0x0000000000450ea4 in main (argc=, argv=) at src/core/nginx.c:382

調用到ngx_http_v2_state_preface這個函數之后，開始處理http2請求，我們將請求內容打印出來看一下：

(gdb) p end-pos
$1 = 110
(gdb) p *pos@110
$2 = "PRI * HTTP/2.0

SM