概要
C++のmain関数に全てベタ書きで書いてHTTP2の通信を説明します。
最速実装なので最低限の通信に限定しています。
MacとWindows両方でビルドできます。
接続先は「nghttp2.org」を使わせていただきます。
変更したい人はhostの部分を書き換えてください。(その場合はHEADERS_FRAMEも書き換える必要があります)
今回は平文で流れる通信です。
SSL版はこちらです。
ただし、main関数だけといいつつも、3つだけ冗長な処理を関数化してます。数行程度の定型処理です。
参考にしたのはこちらの資料です。
https://speakerdeck.com/syucream/2-zui-su-shi-zhuang-v3
依存
windowsの場合は下記の依存ライブラリを追加します。
Ws2_32.lib
目的
HTTP2の最初のハードルを超えるための勉強。
main関数に全て書く事によって処理の流れを明確にする。
バイナリもそのままソースに打ち込むことによってどのようなデータが流れているのかを確認できるようにする。
実装
[https://github.com/0xfffffff7/HelloHttp2]
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string>
#ifdef WIN32
#include <winsock2.h>
#include <windows.h>
#pragma warning(disable:4996)
#else
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/tcp.h>
#include <netdb.h>
#include <fcntl.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#define SOCKET int
#define SD_BOTH SHUT_WR
#endif
#define READ_BUF_SIZE 4096
#define BUF_SIZE 4097
#define PORT 80
#define BINARY_FRAME_LENGTH 9
// 3バイトのネットワークオーダーを4バイト整数へ変換する関数.
char* to_framedata3byte(char *p, int &n);
int get_error();
void close_socket(SOCKET socket);
int main(int argc, char **argv)
{
//------------------------------------------------------------
// 接続先ホスト名.
// HTTP2に対応したホストを指定します.
//------------------------------------------------------------
std::string host = "nghttp2.org";
//------------------------------------------------------------
// TCPの準備.
//------------------------------------------------------------
#ifdef WIN32
WSADATA wsaData;
if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0) {
return 0;
}
#endif
int error = 0;
struct hostent *hp;
struct sockaddr_in addr;
SOCKET _socket;
if (!(hp = gethostbyname(host.c_str()))){
return -1;
}
memset(&addr, 0, sizeof(addr));
addr.sin_addr = *(struct in_addr*)hp->h_addr_list[0];
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(PORT);
if ((_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP))<0){
return -1;
}
if (connect(_socket, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr))<0){
return -1;
}
//------------------------------------------------------------
// HTTP2の準備.
// SSLでない場合は、下記の24オクテットのデータを送信することで、
// これからHTTP2通信を始めることを伝える.
//------------------------------------------------------------
std::string pri = "PRI * HTTP/2.0\r\n\r\nSM\r\n\r\n";
int r = (int)::send(_socket, pri.c_str(), pri.length(), NULL);
//------------------------------------------------------------
// 全てのデータはバイナリフレームで送受信される
// バイナリフレームは共通の9バイトヘッダと、データ本体であるpayloadを持つ
//
// ●ヘッダ部分のフォーマット
//
// 1-3バイト目 payloadの長さ。長さにヘッダの9バイトは含まれない。.
// 4バイト目 フレームのタイプ.
// 5バイト目 フラグ.
// 6-9バイト目 ストリームID.(最初の1bitは予約で必ず0)
//
// |Length(24bit)|Type(8bit)|Flags(8bit)|Reserve(1bit)|Stream Identifier(31bit)|
// |Frame Payload(Lengthバイト分)|
//
//
// [フレームのタイプ]
//
// DATA(0x00) リクエストボディや、レスポンスボディを転送する
// HEADERS(0x01) 圧縮済みのHTTPヘッダーを転送する
// PRIORITY(0x02) ストリームの優先度を変更する
// RST_STREAM(0x03) ストリームの終了を通知する
// SETTINGS(0x04) 接続に関する設定を変更する
// PUSH_PROMISE(0x05) サーバーからのリソースのプッシュを通知する
// PING(0x06) 接続状況を確認する
// GOAWAY(0x07) 接続の終了を通知する
// WINDOW_UPDATE(0x08) フロー制御ウィンドウを更新する
// CONTINUATION(0x09) HEADERSフレームやPUSH_PROMISEフレームの続きのデータを転送する
//
// それぞれのリクエストやレスポンスにはストリームIDが付与される.
// クライアントから発行されるストリームIDは奇数.
// サーバーから発行されるストリームIDは偶数.
// ストリームには優先順位が付けられています.
// 今回はストリームID「1」だけを使用します.
//------------------------------------------------------------
//------------------------------------------------------------
// HTTP2通信のフロー
//
// まず最初にSettingフレームを必ず交換します.
// Settingフレームを交換したら、設定を適用したことを伝えるために必ずACKを送ります.
//
// Client -> Server SettingFrame
// Client <- Server SettingFrame
// Client -> Server ACK
// Client <- Server ACK
//
// Client -> Server HEADERS_FRAME (GETなど)
// Client <- Server HEADERS_FRAME (ステータスコードなど)
// Client <- Server DATA_FRAME (Body)
//
// Client -> Server GOAWAY_FRAME (送信終了)
//------------------------------------------------------------
//------------------------------------------------------------
// Settingフレームの送信.
// フレームタイプは「0x04」
// 全てデフォルト値を採用するためpayloadは空です。
// SettingフレームのストリームIDは0です.(コネクション全体に適用されるため)
//
// 今回は空ですがSettingフレームのpayloadは次のフォーマットです.
//
// |Identifer(16bit)|Value(32bit)|
// 上記を設定値の数だけ連結させ、最終的な長さをヘッダフレームのLengthに記述します.
//
// Identiferは次のものが定義されています。
// SETTINGS_HEADER_TABLE_SIZE (0x1) 初期値は 4,096 オクテット
// SETTINGS_ENABLE_PUSH (0x2) 初期値は1
// SETTINGS_MAX_CONCURRENT_STREAMS (0x3) 初期状態では無制限
// SETTINGS_INITIAL_WINDOW_SIZE (0x4) 初期値は 2^16-1 (65,535)
// SETTINGS_MAX_FRAME_SIZE (0x5) 初期値は 2^24-1 (16777215)
// SETTINGS_MAX_HEADER_LIST_SIZE (0x6) 初期値は無制限
//------------------------------------------------------------
const char settingframe[BINARY_FRAME_LENGTH] = { 0x00, 0x00, 0x00, 0x04, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00 };
r = (int)::send(_socket, settingframe, BINARY_FRAME_LENGTH, NULL);
if (r == -1){
error = get_error();
::shutdown(_socket, SD_BOTH);
close_socket(_socket);
return 0;
}
//------------------------------------------------------------
// Settingフレームの受信.
//------------------------------------------------------------
char buf[BUF_SIZE] = { 0 };
char* p = buf;
r = (int)::recv(_socket, p, READ_BUF_SIZE, NULL);
if (r == -1){
error = get_error();
::shutdown(_socket, SD_BOTH);
close_socket(_socket);
return 0;
}
//------------------------------------------------------------
// ACKの送信.
// ACKはSettingフレームを受け取った側が送る必要がある.
// ACKはSettingフレームのフラグに0x01を立ててpayloadを空にしたもの.
//
// フレームタイプは「0x04」
// 5バイト目にフラグ0x01を立てます。
//------------------------------------------------------------
const char settingframeAck[BINARY_FRAME_LENGTH] = { 0x00, 0x00, 0x00, 0x04, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00 };
r = (int)::send(_socket, settingframeAck, BINARY_FRAME_LENGTH, NULL);
if (r == -1){
error = get_error();
::shutdown(_socket, SD_BOTH);
close_socket(_socket);
return 0;
}
// サーバーからのACKの受信は下でやります..
//------------------------------------------------------------
// HEADERSフレームの送信.
//
// フレームタイプは「0x01」
// このフレームに必要なヘッダがすべて含まれていてこれでストリームを終わらせることを示すために、
// END_STREAM(0x1)とEND_HEADERS(0x4)を有効にします。
// 具体的には5バイト目のフラグに「0x05」を立てます。
// ストリームIDは「0x01」を使います.
//
// ここまででヘッダフレームは「ペイロードの長さ(3バイト), 0x01, 0x05, 0x00, 0x00, 0x00, 0x01」になります.
//
//
// ●HTTP1.1でのセマンティクス
// "GET / HTTP1/1"
// "Host: nghttp2.org
//
// ●HTTP2でのセマンティクス
// :method GET
// :path /
// :scheme http
// :authority nghttp2.org
//
// 本来HTTP2はHPACKという方法で圧縮します.
// 今回は上記のHTTP2のセマンティクスを圧縮なしで記述します.
//
// 一つのヘッダフィールドの記述例
//
// |0|0|0|0| 0| // 最初の4ビットは圧縮に関する情報、次の4ビットはヘッダテーブルのインデクス.(今回は圧縮しないのですべて0)
// |0| 7| // 最初の1bitは圧縮に関する情報(今回は0)、次の7bitはフィールドの長さ
// |:method| // フィールドをそのままASCIIのオクテットで書く。
// |0| 3| // 最初の1bitは圧縮に関する情報(今回は0)、次の7bitはフィールドの長さ
// |GET| // 値をそのままASCIIのオクテットで書く。
//
// 上記が一つのヘッダフィールドの記述例で、ヘッダーフィールドの数だけこれを繰り返す.
//
//------------------------------------------------------------
const char headersframe[69] = {
0x00, 0x00, 0x3c, 0x01, 0x04, 0x00, 0x00, 0x00, 0x01, // ヘッダフレーム
0x00, // 圧縮情報
0x07, 0x3a, 0x6d, 0x65, 0x74, 0x68, 0x6f, 0x64, // 7 :method
0x03, 0x47, 0x45, 0x54, // 3 GET
0x00, // 圧縮情報
0x05, 0x3a, 0x70, 0x61, 0x74, 0x68, // 5 :path
0x01, 0x2f, // 1 /
0x00, // 圧縮情報
0x07, 0x3a, 0x73, 0x63, 0x68, 0x65, 0x6d, 0x65, // 7 :scheme
0x04, 0x68, 0x74, 0x74, 0x70, // 4 http
0x00, // 圧縮情報
0x0a, 0x3a, 0x61, 0x75, 0x74, 0x68, 0x6f, 0x72, 0x69, 0x74, 0x79, // 10 :authority
0x0b, 0x6e, 0x67, 0x68, 0x74, 0x74, 0x70, 0x32, 0x2e, 0x6f, 0x72, 0x67 // 11 nghttp2.org
};
r = (int)::send(_socket, headersframe, 69, NULL);
if (r == -1){
error = get_error();
::shutdown(_socket, SD_BOTH);
close_socket(_socket);
return 0;
}
//------------------------------------------------------------
// HEADERSフレームの受信.
//------------------------------------------------------------
int payload_length = 0;
int frame_type = 0;
// まずはヘッダフレームを受信してpayloadのlengthを取得する。
while (1){
memset(buf, 0x00, BINARY_FRAME_LENGTH);
p = buf;
r = (int)::recv(_socket, p, BINARY_FRAME_LENGTH, NULL);
if (r == -1){
error = get_error();
::shutdown(_socket, SD_BOTH);
close_socket(_socket);
return 0;
}
// ACKが返ってくる場合があるのでACKなら無視して次を読む。
if (memcmp(buf, settingframeAck, BINARY_FRAME_LENGTH) == 0){
continue;
}
else{
// payloadの長さを取得する。
p = to_framedata3byte(p, payload_length);
// フレームタイプがHEADERS_FRAMEではなかったら読み飛ばす。
memcpy(&frame_type, p, 1);
if (frame_type != 1){
r = (int)::recv(_socket, p, payload_length, NULL);
if (r == -1){
error = get_error();
::shutdown(_socket, SD_BOTH);
close_socket(_socket);
return 0;
}
continue;
}
break;
}
}
// 次にHEADERSフレームのpayloadを受信する。
memset(buf, 0x00, payload_length);
p = buf;
r = (int)::recv(_socket, p, payload_length, NULL);
if (r == -1){
error = get_error();
::shutdown(_socket, SD_BOTH);
close_socket(_socket);
return 0;
}
//------------------------------------------------------------
// DATAフレームの受信.
//------------------------------------------------------------
// まずはヘッダフレームを受信してpayloadのlengthを取得する。
memset(buf, 0x00, BINARY_FRAME_LENGTH);
p = buf;
r = (int)::recv(_socket, p, BINARY_FRAME_LENGTH, NULL);
to_framedata3byte(p, payload_length);
// 次にpayloadを受信する。
while (payload_length > 0){
memset(buf, 0x00, BUF_SIZE);
p = buf;
r = (int)::recv(_socket, p, READ_BUF_SIZE, NULL);
if (r == -1){
error = get_error();
::shutdown(_socket, SD_BOTH);
close_socket(_socket);
return 0;
}
payload_length -= r;
printf("%s", p);
}
//------------------------------------------------------------
// GOAWAYの送信.
//
// これ以上データを送受信しない場合はGOAWAYフレームを送信します.
// フレームタイプは「0x07」
// ストリームIDは「0x00」(コネクション全体に適用するため)
//------------------------------------------------------------
const char goawayframe[17] = { 0x00, 0x00, 0x00, 0x07, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,0x00,0x00,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00 };
r = (int)::send(_socket, goawayframe, 17, NULL);
if (r == -1){
error = get_error();
::shutdown(_socket, SD_BOTH);
close_socket(_socket);
return 0;
}
//------------------------------------------------------------
// 後始末.
//------------------------------------------------------------
::shutdown(_socket, SD_BOTH);
close_socket(_socket);
return 0;
}
void close_socket(SOCKET socket){
#ifdef WIN32
::closesocket(socket);
WSACleanup();
#else
::close(socket);
#endif
}
int get_error(){
#ifdef WIN32
return WSAGetLastError();
#endif
return errno;
}
char* to_framedata3byte(char *p, int &n){
u_char buf[4] = { 0 };
memcpy(&(buf[1]), p, 3);
memcpy(&n, buf, 4);
n = ntohl(n);
p += 3;
return p;
}
結果
通信に問題なければ、コンソールに次のようなhtmlが表示されるでしょう。
<!DOCTYPE html>
<!--[if IEMobile 7 ]><html class="no-js iem7"><![endif]-->
<!--[if lt IE 9]><html class="no-js lte-ie8"><![endif]-->
<!--[if (gt IE 8)|(gt IEMobile 7)|!(IEMobile)|!(IE)]><!--><html class="no-js" lang="en"><!--<![endif]-->
<head>
<meta charset="utf-8">
<title>Nghttp2: HTTP/2 C Library - nghttp2.org</title>
<meta name="author" content="Tatsuhiro Tsujikawa">
<meta name="description" content="Nghttp2: HTTP/2 C Library Feb 16th, 2015 11:16 pm nghttp2 is an implementation of HTTP/2 in C.
HTTP/2 and HPACK has been approved by IETF,
we are …">
<!-- http://t.co/dKP3o1e -->
<meta name="HandheldFriendly" content="True">
<meta name="MobileOptimized" content="320">
<meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1">
<link rel="canonical" href="//nghttp2.org">
<link href="/favicon.png" rel="icon">
<link href="/stylesheets/screen.css" media="screen, projection" rel="stylesheet" type="text/css">
<link href="/atom.xml" rel="alternate" title="nghttp2.org" type="application/atom+xml">
<script src="/javascripts/modernizr-2.0.js"></script>
<script src="//ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/1.9.1/jquery.min.js"></script>
<script>!window.jQuery && document.write(unescape('%3Cscript src="./javascripts/libs/jquery.min.js"%3E%3C/script%3E'))</script>
<script src="/javascripts/octopress.js" type="text/javascript"></script>
<!--Fonts from Google"s Web font directory at http://google.com/webfonts -->
<link href="//fonts.googleapis.com/css?family=PT+Serif:regular,italic,bold,bolditalic" rel="stylesheet" type="text/css">
<link href="//fonts.googleapis.com/css?family=PT+Sans:regular,italic,bold,bolditalic" rel="stylesheet" type="text/css">
</head>
<body >
<header role="banner"><hgroup>
<h1><a href="/">nghttp2.org</a></h1>
<h2>HTTP/2 C library and tools</h2>
</hgroup>
</header>
<nav role="navigation"><ul class="subscription" data-subscription="rss">
<li><a href="/atom.xml" rel="subscribe-rss" title="subscribe via RSS">RSS</a></li>
</ul>
<form action="https://www.google.com/search" method="get">
<fieldset role="search">
<input type="hidden" name="q" value="site://nghttp2.org" />
<input class="search" type="text" name="q" results="0" placeholder="Search"/>
</fieldset>
</form>
<ul class="main-navigation">
<li><a href="/">Top</a></li>
<li><a href="/blog/">Blog</a></li>
<li><a href="/blog/archives">Archives</a></li>
<li><a href="/documentation/">Documentation</a></li>
<li><a href="/httpbin">Httpbin</a></li>
<li><a href="https://github.com/tatsuhiro-t/nghttp2/releases">Releases</a></li>
<li><a href="https://github.com/tatsuhiro-t/nghttp2">Source Code</a></li>
</ul>
</nav>
<div id="main">
<div id="content">
<div>
<article role="article">
<header>
<h1 class="entry-title">Nghttp2: HTTP/2 C Library</h1>
<p class="meta">
<time class='entry-date' datetime='2015-02-16T23:16:00+09:00'><span class='date'><span class='date-month'>Feb</span> <span class='date-day'>16</span><span class='date-suffix'>th</span>, <span class='date-year'>2015</span></span> <span class='time'>11:16 pm</span></time></p>
</header>
<p>nghttp2 is an implementation of HTTP/2 in C.
<a href="https://www.ietf.org/blog/2015/02/http2-approved/">HTTP/2 and HPACK has been approved by IETF</a>,
we are now waiting for their publication as RFCs.</p>
<p>The framing layer of HTTP/2 is implemented as a form of reusable C
library. On top of that, we have implemented HTTP/2 <a href="/documentation/nghttp.1.html">client</a>, <a href="/documentation/nghttpd.1.html">server</a>
and <a href="/documentation/nghttpx.1.html">proxy</a>.
We have also developed <a href="/documentation/h2load.1.html">load test and benchmarking tool</a> for HTTP/2 and SPDY.</p>
<p>We have participated in httpbis working group since HTTP/2 draft-04,
which is the first implementation draft. Since then we have updated
nghttp2 library constantly to latest specification and nghttp2 is now
one of the most mature <a href="https://github.com/http2/http2-spec/wiki/Implementations">HTTP/2 implementations</a>.</p>
<p>All C APIs are <a href="/documentation/apiref.html">fully documented</a>.</p>
<p>HTTP/2 utilizes header compression method called <a href="http://http2.github.io/http2-spec/compression.html">HPACK</a>. We offer
HPACK encoder and decoder are available as <a href="/documentation/tutorial-hpack.html">public API</a>.</p>
<p>nghttp2 library itself is a bit low-level. The experimental <a href="/documentation/libnghttp2_asio.html">high level C++ API</a> is also available.</p>
<p>We have <a href="/documentation/python-apiref.html">Python binding</a> of this libary, but we have not covered
everything yet.</p>
<footer>
<p class="meta">
<time class='entry-date' datetime='2015-02-16T23:16:00+09:00'><span class='date'><span class='date-month'>Feb</span> <span class='date-day'>16</span><span class='date-suffix'>th</span>, <span class='date-year'>2015</span></span> <span class='time'>11:16 pm</span></time>
</p>
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</footer>
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<h1>Recent Posts</h1>
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<a href="/blog/2015/03/14/nghttp2-v0-7-6/">Nghttp2 v0.7.6</a>
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<a href="/blog/2015/02/27/nghttp2-v0-7-5/">Nghttp2 v0.7.5</a>
</li>
<li class="post">
<a href="/blog/2015/02/15/nghttp2-v0-7-4/">Nghttp2 v0.7.4</a>
</li>
<li class="post">
<a href="/blog/2015/02/10/nghttp2-dot-org-enabled-http2-server-push/">nghttp2.org Enabled HTTP/2 Server Push</a>
</li>
</ul>
</section>
</aside>
</div>
</div>
<footer role="contentinfo"><p>
Copyright © 2015 - Tatsuhiro Tsujikawa -
<span class="credit">Powered by <a href="http://octopress.org">Octopress</a></span>
</p>
</footer>
<script type="text/javascript">
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</script>
</body>
</html>