Linux Nginx

Nginx 下实现 HTTP/2 服务器推送 (Server Push) 教程

Posted by Mike on 2018-03-12

Nginx 从 1.13.9 版本开始加入了 HTTP/2 的 Server Push 功能，本文将介绍如何在 Nginx 下实现 HTTP/2 服务器推送 (Server Push) 。这里我们首先用 Docker 搭建一个支持 HTTP/2 的 Server Push 功能的 Nginx 容器并加入 SSL 证书。如果你还不会 Docker，可以先看 「Docker 入门教程」，非常简单。

一、HTTP 服务

Nginx 的最大作用，就是搭建一个 Web Server。有了容器，只要一行命令，服务器就架设好了，完全不用配置。

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$ docker container run \
  -d \
  -p 127.0.0.2:8080:80 \
  --rm \
  --name mynginx \
  nginx

上面命令下载并运行官方的 Nginx image，默认是最新版本（latest），当前是 1.13.9。如果本机安装过以前的版本，请删掉重新安装，因为只有 1.13.9 才开始支持 server push。

上面命令的各个参数含义如下。

  • -d：在后台运行
  • -p ：容器的80端口映射到127.0.0.2:8080
  • –rm：容器停止运行后，自动删除容器文件
  • –name：容器的名字为mynginx

如果没有报错，就可以打开浏览器访问 127.0.0.2:8080 了。正常情况下，显示 Nginx 的欢迎页。

然后，把这个容器终止，由于 --rm 参数的作用，容器文件会自动删除。

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$ docker container stop mynginx

二、映射网页目录

网页文件都在容器里，没法直接修改，显然很不方便。下一步就是让网页文件所在的目录/usr/share/nginx/html 映射到本地。

首先，新建一个目录，并进入该目录。

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$ mkdir nginx-docker-demo
$ cd nginx-docker-demo

然后，新建一个html子目录。

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$ mkdir html

在这个子目录里面，放置一个index.html文件，内容如下。

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<h1>Hello World</h1>

接着，就可以把这个子目录 html，映射到容器的网页文件目录 /usr/share/nginx/html。

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$ docker container run \
  -d \
  -p 127.0.0.2:8080:80 \
  --rm \
  --name mynginx \
  --volume "$PWD/html":/usr/share/nginx/html \
  nginx

打开浏览器，访问 127.0.0.2:8080，应该就能看到 Hello World 了。

三、拷贝配置

修改网页文件还不够，还要修改 Nginx 的配置文件，否则后面没法加 SSL 支持。

首先，把容器里面的 Nginx 配置文件拷贝到本地。

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$ docker container cp mynginx:/etc/nginx .

上面命令的含义是，把 mynginx 容器的 /etc/nginx 拷贝到当前目录。不要漏掉最后那个点。

执行完成后，当前目录应该多出一个 nginx 子目录。然后把这个子目录改名为 conf。

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$ mv nginx conf

现在可以把容器终止了。

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$ docker container stop mynginx

四、映射配置目录

重新启动一个新的容器，这次不仅映射网页目录，还要映射配置目录。

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$ docker container run \
  --rm \
  --name mynginx \
  --volume "$PWD/html":/usr/share/nginx/html \
  --volume "$PWD/conf":/etc/nginx \
  -p 127.0.0.2:8080:80 \
  -d \
  nginx

上面代码中，--volume "$PWD/conf":/etc/nginx 表示把容器的配置目录 /etc/nginx，映射到本地的 conf 子目录。

浏览器访问 127.0.0.2:8080，如果能够看到网页，就说明本地的配置生效了。这时，可以把这个容器终止。

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$ docker container stop mynginx

五、自签名证书

现在要为容器加入 HTTPS 支持，第一件事就是生成私钥和证书。正式的证书需要证书当局（CA）的签名，这里是为了测试，搞一张自签名（self-signed）证书就可以了。

下面，我参考的是 DigitalOcean 的教程。首先，确定你的机器安装了 OpenSSL，然后执行下面的命令。

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$ sudo openssl req \
  -x509 \
  -nodes \
  -days 365 \
  -newkey rsa:2048 \
  -keyout example.key \
  -out example.crt

上面命令的各个参数含义如下。

  • req：处理证书签署请求。
  • -x509：生成自签名证书。
  • -nodes：跳过为证书设置密码的阶段，这样 Nginx 才可以直接打开证书。
  • -days 365：证书有效期为一年。
  • -newkey rsa:2048：生成一个新的私钥，采用的算法是2048位的 RSA。
  • -keyout：新生成的私钥文件为当前目录下的example.key。
  • -out：新生成的证书文件为当前目录下的example.crt。

执行后，命令行会跳出一堆问题要你回答，比如你在哪个国家、你的 Email 等等。

其中最重要的一个问题是 Common Name，正常情况下应该填入一个域名，这里可以填 127.0.0.2。

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Common Name (e.g. server FQDN or YOUR name) []:127.0.0.2

回答完问题，当前目录应该会多出两个文件：example.key 和 example.crt。

conf 目录下新建一个子目录 certs，把这两个文件放入这个子目录。

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$ mkdir conf/certs
$ mv example.crt example.key conf/certs

六、HTTPS 配置

有了私钥和证书，就可以打开 Nginx 的 HTTPS 了。

首先，打开 conf/conf.d/default.conf 文件，在结尾添加下面的配置。

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server {
    listen 443 ssl http2;
    server_name  localhost;

    ssl                      on;
    ssl_certificate          /etc/nginx/certs/example.crt;
    ssl_certificate_key      /etc/nginx/certs/example.key;

    ssl_session_timeout  5m;

    ssl_ciphers HIGH:!aNULL:!MD5;
    ssl_protocols SSLv3 TLSv1 TLSv1.1 TLSv1.2;
    ssl_prefer_server_ciphers   on;

    location / {
        root   /usr/share/nginx/html;
        index  index.html index.htm;
    }
}

然后，启动一个新的 Nginx 容器。

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$ docker container run \
  --rm \
  --name mynginx \
  --volume "$PWD/html":/usr/share/nginx/html \
  --volume "$PWD/conf":/etc/nginx \
  -p 127.0.0.2:8080:80 \
  -p 127.0.0.2:8081:443 \
  -d \
  nginx

上面命令中，不仅映射了容器的 80 端口，还映射了 443 端口，这是 HTTPS 的专用端口。

打开浏览器，访问 https://127.0.0.2:8081/ 。因为使用了自签名证书，浏览器会提示不安全。不要去管它，选择继续访问，应该就可以看到 Hello World 了。

至此，Nginx 容器的 HTTPS 支持就做好了。有了这个容器接下来我们就可以来试验 HTTP/2 的 Server Push 功能。

七、HTTP/2 服务器推送的原理

HTTP/2 协议的主要目的是提高网页性能。

头信息（header）原来是直接传输文本，现在是压缩后传输。原来是同一个 TCP 连接里面，上一个回应（response）发送完了，服务器才能发送下一个，现在可以多个回应一起发送。

服务器推送（Server Push）是 HTTP/2 协议里面，唯一一个需要开发者自己配置的功能。其他功能都是服务器和浏览器自动实现，不需要开发者关心。

7.1 传统的网页请求方式

下面是一个非常简单的 HTML 网页文件index.html。

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<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <link rel="stylesheet" href="style.css">
</head>
<body>
  <h1>hello world</h1>
  <img src="example.png">
</body>
</html>

这个网页包含一张样式表 style.css 和一个图片文件 example.png。为了渲染这个网页，浏览器会发出三个请求。第一个请求是 index.html。

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GET /index.html HTTP/1.1

服务器收到这个请求，就把 index.html 发送给浏览器。浏览器发现里面包含了样式表和图片，于是再发出两个请求。

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GET /style.css HTTP/1.1
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GET /example.png HTTP/1.1

这就是传统的网页请求方式。它有两个问题，一是至少需要两轮 HTTP 通信，二是收到样式文件之前，网页都会显示一片空白，这个阶段一旦超过2秒，用户体验就会非常不好。

7.2 传统方式的改进

一种解决办法就是把外部资源合并在网页文件里面，减少 HTTP 请求。比如，把样式表的内容写在<style> 标签之中，把图片改成 Base64 编码的 Data URL。

另一种方法就是资源的预加载（preload）。网页预先告诉浏览器，立即下载某些资源。比如，上例可以写成下面这样。

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<link rel="preload" href="/styles.css" as="style">
<link rel="preload" href="/example.png" as="image">

对于上例来说，preload 命令并没有什么帮助。但是，如果前一个网页就使用这个命令，预加载后一个网页需要的资源，那么用户打开后一个网页时，就会感觉速度飞快。

这两种方法都有缺点。第一种方法虽然减少了 HTTP 请求，但是把不同类型的代码合并在一个文件里，违反了分工原则。第二种方法只是提前了下载时间，并没有减少 HTTP 请求。

7.3 服务器推送的概念

服务器推送（Server Push）指的是，还没有收到浏览器的请求，服务器就把各种资源推送给浏览器。

比如，浏览器只请求了 index.html，但是服务器把 index.html、style.css、example.png 全部发送给浏览器。这样的话，只需要一轮 HTTP 通信，浏览器就得到了全部资源，提高了性能。

八、配置 Nginx 实现 Server Push

Nginx 从 1.13.9 版开始，支持服务器推送。前面我们已经做好了 Nginx 容器，接着就来体验一下。

首先，进入工作目录，把原来的首页删除。

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$ cd nginx-docker-demo
$ rm html/index.html

然后，新建 html/index.html 文件，写入上面的网页源码。

另外，html 子目录下面，还要新建两个文件 example.png 和 style.css。前者可以随便找一张 PNG 图片，后者要在里面写一些样式。

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h1 {
  color: red;
}

最后，打开配置文件 conf/conf.d/default.conf ，将 443 端口的部分改成下面的样子。

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server {
    listen 443 ssl http2;
    server_name  localhost;

    ssl                      on;
    ssl_certificate          /etc/nginx/certs/example.crt;
    ssl_certificate_key      /etc/nginx/certs/example.key;

    ssl_session_timeout  5m;

    ssl_ciphers HIGH:!aNULL:!MD5;
    ssl_protocols SSLv3 TLSv1 TLSv1.1 TLSv1.2;
    ssl_prefer_server_ciphers   on;

    location / {
      root   /usr/share/nginx/html;
      index  index.html index.htm;
      http2_push /style.css;
      http2_push /example.png;
    }
}

其实就是最后多了两行 http2_push 命令。它的意思是，如果用户请求根路径 /，就推送style.css 和 example.png。

现在可以启动容器了。

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$ docker container run \
  --rm \
  --name mynginx \
  --volume "$PWD/html":/usr/share/nginx/html \
  --volume "$PWD/conf":/etc/nginx \
  -p 127.0.0.2:8080:80 \
  -p 127.0.0.2:8081:443 \
  -d \
  nginx

打开浏览器，访问 https://127.0.0.2:8081 。浏览器会提示证书不安全，不去管它，继续访问，就能看到网页了。

网页上看不出来服务器推送，必须打开 “开发者工具”，切换到 Network 面板，就可以看到其实只发出了一次请求，style.css 和 example.png 都是推送过来的。

查看完毕，关闭容器。

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$ docker container stop mynginx

九、配置 Apache 实现 Server Push

Apache 也类似，可以在配置文件 httpd.conf 或者 .htaccess 里面打开服务器推送。

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<FilesMatch "\index.html$">
    Header add Link "</styles.css>; rel=preload; as=style"
    Header add Link "</example.png>; rel=preload; as=image"
</FilesMatch>

十、后端实现

上面的服务器推送，需要写在服务器的配置文件里面。这显然很不方便，每次修改都要重启服务，而且应用与服务器的配置不应该混在一起。

服务器推送还有另一个实现方法，就是后端应用产生 HTTP 回应的头信息 Link 命令。服务器发现有这个头信息，就会进行服务器推送。

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Link: </styles.css>; rel=preload; as=style

如果要推送多个资源，就写成下面这样。

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Link: </styles.css>; rel=preload; as=style, </example.png>; rel=preload; as=image

可以参考 Go、Node、PHP 的实现范例。

这时，Nginx 的配置改成下面这样。

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server {
    listen 443 ssl http2;

    # ...

    root /var/www/html;

    location = / {
        proxy_pass http://upstream;
        http2_push_preload on;
    }
}

如果服务器或者浏览器不支持 HTTP/2，那么浏览器就会按照 preload 来处理这个头信息，预加载指定的资源文件。

事实上，这个头信息就是 preload 标准提出的，它的语法和 as 属性的值都写在了标准里面。

十一、缓存问题

服务器推送有一个很麻烦的问题。所要推送的资源文件，如果浏览器已经有缓存，推送就是浪费带宽。即使推送的文件版本更新，浏览器也会优先使用本地缓存。

一种解决办法是，只对第一次访问的用户开启服务器推送。下面是 Nginx 官方给出的示例，根据 Cookie 判断是否为第一次访问。

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server {
    listen 443 ssl http2 default_server;

    ssl_certificate ssl/certificate.pem;
    ssl_certificate_key ssl/key.pem;

    root /var/www/html;
    http2_push_preload on;

    location = /demo.html {
        add_header Set-Cookie "session=1";
        add_header Link $resources;
    }
}


map $http_cookie $resources {
    "~*session=1" "";
    default "</style.css>; as=style; rel=preload";
}

十二、性能提升

服务器推送可以提高性能。网上测评的结果是，打开这项功能，比不打开时的 HTTP/2 快了8%，比将资源都嵌入网页的 HTTP/1 快了5%。

可以看到，提升程度也不是特别多，大概是几百毫秒。而且，也不建议一次推送太多资源，这样反而会拖累性能，因为浏览器不得不处理所有推送过来的资源。只推送 CSS 样式表可能是一个比较好的选择。

十三、参考链接

  • 来源：阮一峰的网络日志
  • 原文：http://t.cn/REW4m8m
  • 题图：来自谷歌图片搜索
  • 版权：本文版权归原作者所有
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