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netty对http2协议的解析

2017年06月12日

前言

本文从源码角度分析netty-codec-http2对http2协议的实现,netty 对 http1.1的实现参见netty对http协议解析原理(一)

http2协议

http那些事

netty实现

对外的使用接口

http2本身一个复杂的协议,有着自己的一套“复杂的类图”,那么netty 与 netty-http2如何结合?

  1. 配置Http2ConnectionHandler 负责decode数据,decode时会触发Http2FrameListener的执行
  2. 自定义Http2FrameListener,并与Http2ConnectionHandler关联
  3. 使用Http2ConnectionEncoder.writeXX发送frame,write方法的执行要传入ctx对象。

整体结构

前文提过,http2通信,就是收发一个个Http2Frame。在代码层面上,接口也是围绕各个类型的frame的onXXRead和writeXXX来进行的。

上层接口关系如下

主要的点如下

  1. Http2ConnectionHandler extends ByteToMessageDecoder,整个读的流程由ByteToMessageDecoder.onDecode方法驱动。
  2. Http2FrameReader和Http2FrameWriter只是单纯的负责读写frame,Http2FrameReader.readFrame(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf input, Http2FrameListener listener) throws Http2Exception;中有一个listener成员,读取的frame会根据类型的不同,触发listener onXXRead方法的执行。Http2FrameWriter负责各类frame的写入。
  3. frame包括数据frame和控制frame

    • 读取到控制frame时,要更新本地控制数据,比如收到window update frame
    • 读取到控制frame时,要对远端控制指定做出一定的反应,比如收到end frame of stream 或者 rst frame,即需要关闭stream,清除本地的stream数据(这里工作由Http2LifecycleManager负责)
    • write数据时,要考虑本地控制model的实际情况,比如流控。
    • write数据时,要对调用方控制指令做出一定的反应,比如调用方发送了end frame of stream

    这也是Http2ConnectionHandler没有直接聚合Http2FrameReader和Http2FrameWriter,而是另提一个Http2ConnectionDecoder、Http2ConnectionEncoder的原因。同时,因为读写逻辑的任务不同,其代码组织也就稍有不同。

从中学到的:

  1. 接口只能指定方法,这个方法可以描述一个功能,也可以描述一个实现类应该具备哪些成员。
  2. 接口只是描述一个角色,而类可以根据自己实现这个角色的便捷性(比如具备所有相关的能力对象),实现多个角色。
  3. 面向过程,是从驱动代码的开始处(一般是main方法,此处则是eventloop及其驱动的onDecode方法),线性的实现逻辑。面向对象,则是抛开驱动逻辑,分析业务应该具备哪些对象,对象之间的关系是怎样的。对象和线程通常是撕裂的。

明确整体结构,还有两个主线

  1. netty 和 netty-http2如何交互
  2. netty-http2 和频控组件如何交互

数据收发

数据接收

Http2ConnectionHandler extends ByteToMessageDecoder.onDecode ==> Http2ConnectionDecoder.decodeFrame ==> Http2FrameReader. readFrame(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf input, Http2FrameListener listener) ==> Http2FrameListener 回调函数

netty对接收数据的抽象,基本上就是各种帧的监听事件。

interface Http2FrameListener{
	int onDataRead(ChannelHandlerContext ctx, int streamId, ByteBuf data, int padding,
               boolean endOfStream) throws Http2Exception;
   void onHeadersRead(ChannelHandlerContext ctx, int streamId, Http2Headers headers, int padding,
        boolean endOfStream) throws Http2Exception;
   void onPriorityRead(ChannelHandlerContext ctx, int streamId, int streamDependency,
        short weight, boolean exclusive) throws Http2Exception;
   void onRstStreamRead(ChannelHandlerContext ctx, int streamId, long errorCode) throws Http2Exception;
   void onSettingsAckRead(ChannelHandlerContext ctx) throws Http2Exception;
   void onSettingsRead(ChannelHandlerContext ctx, Http2Settings settings) throws Http2Exception;
   void onPingRead(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf data) throws Http2Exception;
   void onPingAckRead(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf data) throws Http2Exception;
   void onPushPromiseRead(ChannelHandlerContext ctx, int streamId, int promisedStreamId,
        Http2Headers headers, int padding) throws Http2Exception;
   void onGoAwayRead(ChannelHandlerContext ctx, int lastStreamId, long errorCode, ByteBuf debugData)
        throws Http2Exception;
   void onWindowUpdateRead(ChannelHandlerContext ctx, int streamId, int windowSizeIncrement)
        throws Http2Exception;
   void onUnknownFrame(ChannelHandlerContext ctx, byte frameType, int streamId, Http2Flags flags, ByteBuf payload)
        throws Http2Exception;
}

一般情况下

  1. 用户处理onHeadersRead和onDataRead等业务数据
  2. netty http2处理onWindowUpdateRead和onGoAwayRead等控制数据

同时,提供Http2Connection、Http2Stream来存储对应帧、Stream的上下文数据。

DefaultHttp2Connection Http2Connection{
	 IntObjectMap<Http2Stream> streamMap = new IntObjectHashMap<Http2Stream>();
	 DefaultEndpoint<Http2LocalFlowController> localEndpoint;
	 DefaultEndpoint<Http2RemoteFlowController> remoteEndpoint;
	 List<Listener> listeners = new ArrayList<Listener>(4);
	 Promise<Void> closePromise;
}
  1. 存储连接上的Http2Stream
  2. 流控
  3. 监听者
  4. 关闭状态

数据发送

Http2FrameWriter{
	 ChannelFuture writeHeaders(ChannelHandlerContext ctx, int streamId, Http2Headers headers,
                           int padding, boolean endStream, ChannelPromise promise);
    ChannelFuture writePriority(ChannelHandlerContext ctx, int streamId, int streamDependency,
        short weight, boolean exclusive, ChannelPromise promise);
   ...
}

写有两种

  1. 非data数据直接发送,this.encoder().writeHeaders ==> Http2FrameWriter.writeHeaders(ChannelHandlerContext ctx, int streamId, Http2Headers headers, int padding, boolean endStream, ChannelPromise promise)
  2. data数据由流控组件负责发送,this.encoder().writeData ==> encoder.flowController().addFlowControlled

所以流控是一个大头

流控

流控是双向的,根据远程的window update更新流控数据,同时,根据消费数据以及本地空间发送window update。本文主要侧重于前者。

即便window size富余,流控组件也只是write数据,不会write flush数据。

流控组件的接口

流控组件Http2FlowController与外部的接口

  1. 提交数据

    encoder.writeData() ==> flowController().addFlowControlled 将数据加入内部队列。可以看到,这里并没有真正写数据。

  2. 何时真正写数据,写操作时,会根据window size是否富余,来判断是否实际进行读写。:

    • Http2ConnectionHandler extends ByteToMessageDecoder implements ChannelOutBoundHandler
    • ByteToMessageDecoder extends ChannelInboundHandlerAdapter
    • Http2ConnectionHandler 覆盖了ChannelOutBoundHandler的flush方法,执行encoder.flowController().writePendingBytes();
    • Http2ConnectionHandler 覆盖了ChannelInboundHandlerAdapter 的channelWritabilityChanged、channelReadComplete方法,触发flush方法的执行,执行encoder.flowController().writePendingBytes();
  3. 更新window size

    DefaultHttp2ConnectionDecoder 本身内置一个 Http2FrameListener,decoder回调onWindowUpdateRead,执行encoder.flowController().incrementWindowSize(stream, windowSizeIncrement);

流控组件的发送逻辑

首先,连接有一个整体的window size,每个stream也有自己的window size。

encoder.flowController().writePendingBytes(); ==> streamByteDistributor.distribute(bytesToWrite, writer)触发的是整个连接的发送,在整个连接window size 富余的前提下,从连接里拿出还有富余window size的stream,streamByteDistributor确定stream此次的numBytes,由writer负责实际的ctx.write。

对于每一个stream,有两个state,state对stream做进一步封装

  1. 一个StremByteDistributor.StreamState负责记录它的window size,pending bytes。尽管caller调用组件发送帧,但流控组件按byte发送数据,数量由streamByteDistributor确定。
  2. 一个UniformStreamByteDistributor.State/WeightedFairQueueByteDistributor.State,该state作为载体 ,存储stream及优先级数据。该state存储在个UniformStreamByteDistributor/WeightedFairQueueByteDistributor的队列中。

比如采用公平策略的UniformStreamByteDistributor,假设connection window size = 1000,stream window size =120,该connection 一共10个stream,则本次encoder.flowController().writePendingBytes(),该stream可以发送min(120,1000/10)个字节的数据。在实际情况下,还要考虑channel 写缓冲区的大小。

收到一个window update frame,接收方处理该frame100的数据。则一方面会更新对应stream的window size,加100,也会更新conneciton window size,加100。