HTTP/2 帧类型及其作用详解 一、描述与背景 HTTP/2是HTTP协议的重大修订版本，其核心改进之一是将数据拆分为更小的 帧（Frame） ，并通过一个TCP连接内的多路复用流进行传输。帧是HTTP/2二进制格式的最小通信单位，每种帧类型承担不同的作用，共同实现了高效、灵活的通信。理解帧类型及其交互是掌握HTTP/2性能优势（如多路复用、头部压缩、服务端推送）的基础。 二、核心概念与术语 在详解帧之前，需明确三个层次概念： 帧（Frame） ：HTTP/2通信的最小二进制单元，每个帧都包含一个 帧头（Frame Header） 和不同类型的 帧载荷（Frame Payload） 。 流（Stream） ：一个独立的双向字节流，用于承载一次请求及其响应。一个连接可包含多个并发流。 消息（Message） ：一个完整的请求或响应，由一个或多个 HEADERS帧 和零个或多个 DATA帧 组成。 帧头 是每个帧的公共前缀，固定9字节，包含： 长度（Length） ：3字节，表示帧载荷的长度（不包括9字节帧头）。 类型（Type） ：1字节，标识帧类型（如0x0表示DATA帧）。 标志（Flags） ：1字节，特定于帧类型的布尔标志，如END_ STREAM、END_ HEADERS等。 R（保留位） ：1位，必须为0。 流标识符（Stream Identifier） ：31位，标识该帧所属的流。 流ID为0的帧属于整个连接，而非特定流 。 三、帧类型详解 HTTP/2定义了10种标准帧类型，我们按功能分类讲解： 第一类：数据与头部帧（承载请求/响应内容） 1. DATA帧（类型=0x0） 作用 ：承载请求或响应的主体数据（如HTML内容、JSON数据）。 帧载荷 ：纯字节数据块。 关键标志 ： END_STREAM （0x1）：设置为1表示当前帧是该流的最后一帧。例如，一个GET响应的DATA帧若设置了 END_STREAM ，表示响应体结束且流关闭。 PADDED （0x8）：用于在帧载荷前添加填充字节以实现流量整形或混淆长度。 注意 ：DATA帧必须关联到一个已打开的流。 2. HEADERS帧（类型=0x1） 作用 ：打开一个流（对于请求或响应），并携带HTTP头部字段（压缩后）。 帧载荷 ：包含： （可选）填充长度（如果设置了 PADDED 标志）。 （可选）流依赖和权重（如果设置了 PRIORITY 标志），用于优先级排序。 使用HPACK压缩后的头部块片段。 关键标志 ： END_STREAM （0x1）：设置为1表示该帧后没有DATA帧（例如，一个没有请求体的GET请求的HEADERS帧会设置此标志）。 END_HEADERS （0x4）：设置为1表示这是该消息的最后一个头部块片段。一个完整的头部可能被拆分成多个HEADERS帧（或HEADERS + CONTINUATION帧），最后一个片段需设置此标志。 PADDED （0x8）：同DATA帧。 PRIORITY （0x20）：表示帧载荷中包含优先级信息。 第二类：流控制与管理帧 3. PRIORITY帧（类型=0x2） 作用 ：指定或更新一个流的优先级，帮助接收端在资源有限时决定流的处理顺序。 帧载荷 ： 流依赖（Stream Dependency） ：31位，指定当前流所依赖的流ID。 权重（Weight） ：1字节，取值1~256，相对于其他兄弟流的权重。 工作模式 ：依赖关系构成一棵“优先级树”。权重决定兄弟流间分配资源的比例。 4. RST_ STREAM帧（类型=0x3） 作用 ：立即终止一个流。用于在出现错误（如流被取消、协议错误）时，告知对方无需继续处理该流。 帧载荷 ：一个32位错误码（如 NO_ERROR(0x0) 、 PROTOCOL_ERROR(0x1) 、 CANCEL(0x8) 等）。 注意 ：发送后，该流即进入“关闭”状态。 5. SETTINGS帧（类型=0x4） 作用 ： 连接级 配置参数交换，是连接建立后（或运行中）双方沟通“游戏规则”的机制。 帧载荷 ：由零个或多个参数项组成，每个参数项包含一个16位的 标识符 和一个32位的 值 。 关键设置项 ： SETTINGS_HEADER_TABLE_SIZE (0x1) ：通知对端用于HPACK头部压缩的最大表大小。 SETTINGS_ENABLE_PUSH (0x2) ：值为0表示禁用服务端推送（Server Push）。 SETTINGS_MAX_CONCURRENT_STREAMS (0x3) ：发送端允许接收端创建的最大并发流数。 SETTINGS_INITIAL_WINDOW_SIZE (0x4) ：流的初始流量控制窗口大小（字节）。 SETTINGS_MAX_FRAME_SIZE (0x5) ：单个帧载荷的最大允许字节数。 SETTINGS_MAX_HEADER_LIST_SIZE (0x6) ：发送端愿意接收的未压缩头部列表的最大大小。 标志 ： ACK (0x1) ：当接收方收到并应用SETTINGS帧后，需回复一个空载荷（无参数项）且设置了 ACK 标志的SETTINGS帧作为确认。 6. WINDOW_ UPDATE帧（类型=0x8） 作用 ： 流量控制 的核心。用于更新 连接级 或 流级 的发送窗口大小，通知对端可以发送更多数据。 帧载荷 ：一个31位的 窗口大小增量 （Window Size Increment）。注意这是“增量”，不是绝对大小。 流ID为0 ：更新整个连接的流量控制窗口（控制所有流总和）。 流ID非0 ：更新该特定流的流量控制窗口。 初始窗口大小 ：由SETTINGS帧的 SETTINGS_INITIAL_WINDOW_SIZE 设定。当发送方数据超过窗口时，必须暂停发送，直到收到对方的WINDOW_ UPDATE帧来扩大窗口。 7. GOAWAY帧（类型=0x7） 作用 ： 连接级 优雅终止连接或发出严重错误信号。发送方告知接收方“停止为某些流创建新流，但处理完已建立的流再关闭”。 帧载荷 ： 最后流ID（Last-Stream-ID） ：31位，发送方已处理或正在处理的最后一个有效流的ID。接收方应创建大于此ID的新流。 错误码 ：32位，解释连接关闭的原因。 调试数据 ：可选，用于附加调试信息。 应用场景 ：服务器优雅关闭、协议严重错误。 第三类：服务端推送相关帧 8. PUSH_ PROMISE帧（类型=0x5） 作用 ： 服务端推送 的发起帧。服务器在响应客户端原始请求时，使用此帧预先告知客户端“我打算推送一个额外资源给你”。 帧载荷 ： （可选）填充长度。 承诺流ID（Promised Stream ID） ：31位，服务器为将要推送的资源预留的新流的ID（必须是偶数，且大于关联的原始流的ID）。 使用HPACK压缩后的、将要推送资源的请求头部块片段。 关键标志 ： END_HEADERS ：同HEADERS帧。 PADDED ：同DATA帧。 后续 ：服务器随后会使用这个“承诺流ID”发送一个HEADERS帧（模拟请求）和DATA帧（推送资源内容）。 第四类：辅助与特殊用途帧 9. PING帧（类型=0x6） 作用 ：测量连接的空闲时间（RTT）和检测连接是否存活。 帧载荷 ：8字节不透明数据（通常由发送方填充唯一值）。 标志 ： ACK (0x1) 。接收方收到PING帧后，必须回复一个载荷相同且设置了 ACK 标志的PING帧。 注意 ：PING帧的流ID必须为0，属于连接控制帧。 10. CONTINUATION帧（类型=0x9） 作用 ：当HEADERS或PUSH_ PROMISE帧的头部块太大，无法放入单个帧时，用于延续头部块片段。 帧载荷 ：纯粹的HPACK头部块后续片段。 关键标志 ：必须设置 END_HEADERS 标志，表示这是该头部块的最后一个片段。 规则 ：CONTINUATION帧必须紧跟在未设置 END_HEADERS 标志的HEADERS或PUSH_ PROMISE帧之后，且流ID必须与前面的帧相同。 四、帧的交互与典型通信流程 以一个简单的GET请求为例，说明帧的交互： 连接建立 ：TCP连接建立后，客户端发送一个 SETTINGS 帧（通常包含一些初始参数）。 开启流 ：客户端在新流（如流ID=1）上发送一个 HEADERS 帧，携带压缩后的请求头（如 :method: GET, :path: /index.html ），并设置 END_STREAM=1 （表示无请求体，请求结束）。 服务端响应 ：服务器在同一个流（ID=1）上先发送一个 HEADERS 帧，携带响应状态（如 :status: 200 ），通常接着发送一个或多个 DATA 帧承载响应体。 响应结束 ：最后一个 DATA 帧设置 END_STREAM=1 标志，表示响应结束，该流关闭。 流量控制 ：如果接收方处理速度慢，其 WINDOW_UPDATE 帧会控制发送方的数据发送速率。 连接管理 ：如果服务器需要重启，它可以发送一个 GOAWAY 帧，指定已处理的最后一个流ID，让客户端停止创建新请求，但处理完已接收的流后关闭连接。 五、总结与核心价值 HTTP/2帧类型的设计实现了协议核心特性的解耦和精细化控制： 多路复用 ：通过流ID在单个连接上交织传输不同流的帧。 优先级 ：通过 PRIORITY 帧和流依赖关系实现资源调度优化。 流量控制 ：通过 WINDOW_UPDATE 帧实现连接级和流级的精细流量控制。 头部压缩 ： HEADERS 、 PUSH_PROMISE 、 CONTINUATION 帧承载HPACK压缩的头部。 服务端推送 ：通过 PUSH_PROMISE 帧发起。 健壮性 ：通过 RST_STREAM 、 GOAWAY 、 PING 等帧实现错误处理、连接管理和健康检查。 理解每种帧的角色及其交互，是深入诊断HTTP/2性能问题、理解高级特性（如优先级、流量控制）以及进行协议级优化的关键。