Tomcat9配置HTTP/2

2022-10-11 20:33:24

1 概述

Tomcat从Tomcat8的一些较新版本就支持HTTP/2了，Tomcat9直接支持，本文首先讲述了相关HTTP/2的特性，接着利用一个简单的开源工具mkcert生成证书并利用该证书配置HTTP/2。

2 HTTP/2特性

首先介绍一下HTTP/2特性，这也从另一方面解释了为什么需要使用HTTP/2。

2.1 二进制分帧

HTTP/2在应用层与传输层增加了一个二进制分帧，能够达到“在不改动HTTP语义，HTTP方法，状态码，URI及首部字段的情况下，突破HTTP/1.1的性能限制，改进传输性能，实现低延迟和高吞吐量。”

2.2 压缩头部

HTTP/2对消息头采用了HPACK进行压缩传输，能够节省消息头占用的网络流量，而HTTP/1.x每次请求都会携带大量的冗余头信息，浪费了很多带宽资源。

2.3 多路复用

简单地说就是所有的请求都通过一个TCP连接并发完成。HTTP/1.x虽然能利用一个连接完成多次请求，但是多个请求之间是有先后顺序的，后面发送的请求必须等待上一个请求返回才能发送响应，很容易导致后面的请求被阻塞。而HTTP/2做到了真正的并发请求。
HTTP/2将消息分解为帧，为每帧分配一个流标识符，然后在一个TCP连接上独立发送，HTTP/2将请求帧与响应帧交织在一起，能够让所有请求与响应都在一个套接字上发生，所有请求或响应都无法相互阻塞，减少了延迟，提高了页面加载速度，消除了对HTTP/1.1工具的需求。

2.4 流优先及流控制

消息帧通过对流进行发送，每个流分配了一个优先级，用于确定处理顺序以及收到的资源量，优先级可以是0-256之间的数字，可以定义依赖关系，允许在一个资源之前加载另一个资源。
流控制管理数据的传输，允许接收者停止或减少发送的数据量，比如观看视频暂停时，客户端会通知服务器停止发送视频数据。

2.5 服务器推送

一般情况下需要客户端请求服务器才会响应，HTTP/2中能够先于客户端检测将要请求的资源，提前通知客户端，但是不发送资源只发送URL，客户端收到后会进行验证缓存，发现需要则正式发起请求。

2.6 应用层协商协议

客户端与服务器都升级才能支持HTTP/2，但是有可能存在HTTP/1与HTTP/2并存的情况，如果都使用80端口，需要选择其中一个协议通信。
APLN（Application Layer Protocol Negotiation）就是为了解决这个问题，通过协商选择协议：

首先客户端发起请求，如果支持HTTP/2则带upgrade头部
若服务器不支持则拒绝升级通过HTTP/1.1返回响应
若服务器支持则接受升级，切换到新分帧使用HTTP/2通信

更多请查看RFC7540 官方文档。

3 使用mkcert生成证书

网上大部分的教程都是使用OpenSSL生成根证书，客户端证书以及服务端证书的，一堆参数配置非常复杂，因此这里使用一个简单的一键生成本地证书的开源工具mkcert，无需任何配置。

3.1 安装mkcert

3.1.1 MacOS

brew install mkcert
brew install nss # 如果使用火狐

使用MacPorts：

sudo port selftupdate
sudo port install mkcert
sudo port install css # 如果使用火狐

3.1.2 Linux

需要先安装certutil：

#Debian/Ubuntu
sudo apt install libnss3-tools
#Red Hat/Fedora/CentOS
sudo yum install nss-tools
#Arch/Manjaro
sudo pacman -S nss
#SUSE
sudo zypper install mozilla-nss-tools

使用LinuxBrew安装：

brew install mkcert

安装LinuxBrew：

/bin/bash -c "$(curl -fsSL https://raw.githubusercontent.com/Homebrew/install/master/install.sh)"

Arch/Manjaro可以使用pacman安装：

sudo pacman -Syu mkcert

或者从源码安装（需要go环境）：

git clone https://github.com/FiloSottile/mkcert && cd mkcert
go build -ldflags "-X main.Version=$(git describe --tags)"

或者使用已构建好的版本。

3.1.3 Windows

安装Chocolatey（以管理员运行PowerShell）：

Set-ExecutionPolicy Bypass -Scope Process -Force; iex ((New-Object System.Net.WebClient).DownloadString(‘https://chocolatey.org/install.ps1‘))

或安装Scoop（管理员PowerShell）：

Invoke-Expression (New-Object System.Net.WebClient).DownloadString(‘https://get.scoop.sh‘)
# 或
iwr -useb get.scoop.sh | iex

使用Chocolatey或Scoop安装：

choco install mkcert
#或
scoop bucket add extras
scoop install mkcert

或者使用已构建好的版本。

3.2 生成证书

mkcert的命令非常简单，可以使用--help查看帮助：

mkcert --help

3.2.1 安装本地CA证书

mkcert -install

默认会在~/.local/share/mkcert生成CA证书。

3.2.2 利用CA证书签发本地证书

mkcert localhost

其中localhost表示签发本地证书，可以换成example.com，*.example.com，example.test，127.0.0.1，::1之类的域名或者ip。
执行后会在当前文件夹下生成localhost-key.pem与localhost.pem，前者是私钥，后者是证书。

4 配置Tomcat

Tomcat可以通过两种方式配置HTTP/2，一种是自带的Nio方式，另一种是使用额外库APR，APR-util与TC-Native的方式。

4.1 使用Nio

通过Nio配置HTTP/2需要结合OpenSSL与keytool将证书转换为pkcs#12再转换为jks：

openssl pkcs12 -export -inkey localhost-key.pem -in localhost.pem -out localhost.p12

会提示输入导出密码，需要记住，转换成jks时需要用到。

接着转换为jks：

keytool -importkeystore -srckeystore localhost.p12 -srcstoretype pkcs12 -destkeystore localhost.jks

这里会提示输入目标keystore与源keystore的密码，目标keystore密码一会在修改server.xml时需要用到，源keystore密码就是上面的导出密码。

接着复制localhost.jks到Tomcat的conf下并修改server.xml：

<Connector port="8443" protocol="org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol"
               maxThreads="150" SSLEnabled="true">
    <UpgradeProtocol className="org.apache.coyote.http2.Http2Protocol" />
    <SSLHostConfig>
        <Certificate certificateKeystoreFile="conf/localhost.jks"
                     certificateKeystorePassword="111111"
                     type="RSA" />
    </SSLHostConfig>
</Connector>

添加了升级协议（默认HTTP/1.1）：

<UpgradeProtocol className="org.apache.coyote.http2.Http2Protocol" />

另外certificateKeystorePassword是上一步的目标keystore的密码。
完成后开启Tomcat并访问https://localhost:8443：

4.2 使用APR

使用APR不需要对证书进行额外的转换，但是需要安装三个库：

笔者的Manjaro可以直接包管理器安装：

sudo pacman -S apr apr-util tomcat-native

其他系统请自行使用包管理器或者按上面的官网链接进行编译安装。
复制localhost-key.pem与localhost.pem到Tomcat的conf目录下，并修改server.xml：

<Connector port="8443" protocol="org.apache.coyote.http11.Http11AprProtocol"
               maxThreads="150" SSLEnabled="true" >
    <UpgradeProtocol className="org.apache.coyote.http2.Http2Protocol" />
    <SSLHostConfig>
        <Certificate certificateKeyFile="conf/localhost-key.pem"
                     certificateFile="conf/localhost.pem"
                     type="RSA" />
    </SSLHostConfig>
</Connector>

开启Tomcat后就可以访问https://localhost:8443了：