2.2 HTTPS 优化分析
开始优化 HTTPS 请求之前，我们得先清楚一个 HTTPS 请求有哪些阶段，以及各个阶段延迟如何计算。
2.2.1 请求阶段分析
一个完整、未复用连接的 HTTPS 请求需要经过以下 5 个阶段：DNS 域名解析、TCP 握手、SSL 握手、服务器处理、内容传输。
如图 2-1 请求阶段分析所示，这些阶段共需要 5 个 RTT（Round-Trip Time，往返时间）[1] = 1 RTT（DNS Lookup，域名解析）+ 1 RTT（TCP Handshake，TCP 握手）+ 2 RTT（SSL Handshake，SSL 握手）+ 1 RTT（Data Transfer，HTTP 内容请求传输）。
图 2-1 HTTPS（使用 TLS1.2 协议）请求阶段分析 图片来源
RTT 是评估本地网络与远程计算机连接状况的重要指标，常用于诊断网络连接的速度和可靠性。举个例子，北京到美国洛杉矶的 RTT 延迟为 190 ms，那么从北京访问美国洛杉矶的服务延迟就是： 4 * 190（ms） + 后端业务处理时间（ms）。其中“4”代表 HTTPS 请求的 4 个 RTT。
由于 RTT 反映的是因物理距离带来的延迟，而 SSL 阶段又包含大量的加密/解密计算消耗。因此，优化工作应该集中在减少 RTT 和降低 SSL 计算量上。
2.2.2 各阶段耗时分析
HTTPS 请求的各个阶段可以使用 curl 命令进行详细的延迟分析。
curl 命令提供了 -w 参数，该参数支持 curl 按照指定的格式打印与请求相关的信息，部分信息可以用特定的变量表示，例如 status_code、size_download、time_namelookup 等等。因为我们要进行耗时分析，所以只关注和请求延迟有关的变量（以 time_ 开头的变量）。往文本文件 curl-format.txt 写入下面的内容：
$ cat curl-format.txt
time_namelookup: %{time_namelookup}\n
time_connect: %{time_connect}\n
time_appconnect: %{time_appconnect}\n
time_redirect: %{time_redirect}\n
time_pretransfer: %{time_pretransfer}\n
time_starttransfer: %{time_starttransfer}\n
----------\n
time_total: %{time_total}\n
上述的变量的含义，如表 2-2 所示。
表 2-2 curl 支持的与请求延迟有关的变量
| 变量名称 | 变量释义 |
|---|---|
| time_namelookup | 从请求开始到域名解析完成的耗时 |
| time_connect | 从请求开始到 TCP 三次握手完成的耗时 |
| time_appconnect | 从请求开始到 TLS 握手完成的耗时 |
| time_pretransfer | 从请求开始到向服务器发送第一个 GET/POST 请求开始之前的耗时 |
| time_redirect | 重定向耗时，包括到内容传输前的重定向的 DNS 解析、TCP 连接、内容传输等时间 |
| time_starttransfer | 从请求开始到内容传输前的耗时 |
| time_total | 从请求开始到完成的总耗时 |
我们先看看一个简单的请求，如下所示：
$ curl -w "@curl-format.txt" -o /dev/null -s 'https://www.iq.com/'
// curl 打印的与耗时有关的信息（单位秒）
time_namelookup=0.025021
time_connect=0.033326
time_appconnect=0.071539
time_redirect=0.000000
time_pretransfer=0.071622
time_starttransfer=0.088528
time_total=0.088744
上述命令各个参数的意义是：
- -w：从文件中读取要打印信息的格式。
- -o /dev/null：把响应的内容丢弃。我们并不关心 HTTPS 的返回内容，只关心请求的耗时情况。
- -s：不输出请求的进度条。
不过，得注意 curl 打印的各个耗时都是从请求发起的那一刻开始计算，我们得将其转换成 HTTPS 各阶段耗时，例如域名解析耗时、TCP 建立耗时、TTFB 耗时[2]等。
表 2-3 为 curl 内各个步骤耗时与 HTTPS 指标计算关系。
表 2-3 HTTPS 请求各阶段耗时计算
| 耗时 | 说明 |
|---|---|
| 域名解析耗时 = time_namelookup | 域名 NS 及本地 LocalDNS 解析耗时 |
| TCP 握手耗时 = time_connect - time_namelookup | 建立 TCP 连接时间 |
| SSL 耗时 = time_appconnect - time_connect | TLS 握手以及加解密处理 |
| 服务器处理请求耗时 = time_starttransfer - time_pretransfer | 服务器响应第一个字节到全部传输完成耗时 |
| TTFB = time_starttransfer - time_appconnect | 服务器从接收请求到开始到收到第一个字节的耗时 |
| 总耗时 = time_total | 整个 HTTPS 的请求耗时 |
2.2.3 HTTPS 的优化总结
了解 HTTPS 请求的各个阶段以及相应的延迟计算后，我们可以针对性地采取以下优化措施：
- 域名解析优化：减少域名解析产生的延迟。例如使用预解析提前获取域名解析结果，那么 HTTPS 连接就能减少一个 RTT。
- 对传输内容进行压缩：传输数据的大小与耗时成正比，压缩传输内容是降低请求耗时最有效的手段之一。
- SSL 层优化：升级 TLS 算法和 HTTPS 证书，例如升级 TLS 1.3 协议，可将 SSL 握手的 RTT 从 2 个减少到 1 个。
- 传输层优化：升级拥塞控制算法以提高网络吞吐量。将默认的 Cubic 升级为 BBR 对于大带宽、长链路的弱网环境尤其有效。
- 网络层优化：使用商业化的网络加速服务，通过路由优化数据包，实现动态服务加速。
- 使用更现代的 HTTP 协议：升级至 HTTP/2，进一步升级到基于 QUIC 协议的 HTTP/3。
接下来，笔者将逐一介绍以上优化的原理以及实践效果。