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 1. 大白和小黑

生活不止眼前的茍且，還有詩和遠(yuǎn)方的田野。

新的一周又開始了，大白和小黑是同事，平時倆人一起喝酒吃肉打游戲居多，當(dāng)然有時候也討論下學(xué)術(shù)和前沿技術(shù)。

這不，小黑聽說了個新鮮玩意，然后和大白聊了起來：

小黑：大白大白，聽說HTTP協(xié)議已經(jīng)到3.0了?

大白：是的，已經(jīng)到3.0了，甚至我還要告訴你它還是基于UDP開發(fā)的!

小黑：UDP?沒搞錯吧?!UDP可是不靠譜代言人啊，TCP不香了嗎?

大白：千真萬確，而且已經(jīng)跑起來效果不錯，正在推廣呢，據(jù)說Chrome金絲雀版本已經(jīng)支持了，可以搶鮮試用。

小黑：害!我這個憨憨HTTP2.0還沒整明白，3.0就來了，快快快，給俺講講這個黑科技。

 

小黑是個爽快人，許諾大白給他講清楚了，周五就請一頓木屋燒烤，再小酌幾杯，放松一下。

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大白看在小黑對知識的渴求和燒烤的份上，決定給小黑講講HTTP3.0和QUIC協(xié)議那些事。

通過本文你將了解到以下內(nèi)容：

• HTTP2.0和TCP存在的一些問題
• QUIC協(xié)議為什么選擇UDP
• QUIC協(xié)議的重要特性
• HTTP3.0和QUIC協(xié)議的前景和應(yīng)用效果

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2.HTTP2.0和HTTP3.0

科技永不止步。

我們都知道互聯(lián)網(wǎng)中業(yè)務(wù)是不斷迭代前進(jìn)的，像HTTP這種重要的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也是如此，新版本是對舊版本的揚棄。

2.1 HTTP2.0和TCP的愛恨糾葛

HTTP2.0是2015年推出的，還是比較年輕的，其重要的二進(jìn)制分幀協(xié)議、多路復(fù)用、頭部壓縮、服務(wù)端推送等重要優(yōu)化使HTTP協(xié)議真正上了一個新臺階。

 

像谷歌這種重要的公司并沒有滿足于此，而且想繼續(xù)提升HTTP的性能，花最少的時間和資源獲取極致體驗。

那么肯定要問HTTP2.0雖然性能已經(jīng)不錯了，還有什么不足嗎?

• 建立連接時間長(本質(zhì)上是TCP的問題)
• 隊頭阻塞問題
• 移動互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域表現(xiàn)不佳(弱網(wǎng)環(huán)境)
• ......

熟悉HTTP2.0協(xié)議的同學(xué)應(yīng)該知道，這些缺點基本都是由于TCP協(xié)議引起的，水能載舟亦能覆舟，其實TCP也很無辜呀!

 

在我們眼里，TCP是面向連接、可靠的傳輸層協(xié)議，當(dāng)前幾乎所有重要的協(xié)議和應(yīng)用都是基于TCP來實現(xiàn)的。

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的改變速度很快，但是TCP協(xié)議相對緩慢，正是這種矛盾促使谷歌做出了一個看似出乎意料的決定-基于UDP來開發(fā)新一代HTTP協(xié)議。

2.2 谷歌為什么選擇UDP

上文提到，谷歌選擇UDP是看似出乎意料的，仔細(xì)想一想其實很有道理。

我們單純地看看TCP協(xié)議的不足和UDP的一些優(yōu)點：

• 基于TCP開發(fā)的設(shè)備和協(xié)議非常多，兼容困難
• TCP協(xié)議棧是Linux內(nèi)部的重要部分，修改和升級成本很大
• UDP本身是無連接的、沒有建鏈和拆鏈成本
• UDP的數(shù)據(jù)包無隊頭阻塞問題
• UDP改造成本小

從上面的對比可以知道，谷歌要想從TCP上進(jìn)行改造升級絕非易事，但是UDP雖然沒有TCP為了保證可靠連接而引發(fā)的問題，但是UDP本身不可靠，又不能直接用。

 

綜合而知，谷歌決定在UDP基礎(chǔ)上改造一個具備TCP協(xié)議優(yōu)點的新協(xié)議也就順理成章了，這個新協(xié)議就是QUIC協(xié)議。

2.3 QUIC協(xié)議和HTTP3.0

QUIC其實是Quick UDP Internet Connections的縮寫，直譯為快速UDP互聯(lián)網(wǎng)連接。

 

我們來看看維基百科對于QUIC協(xié)議的一些介紹：

QUIC協(xié)議最初由Google的Jim Roskind設(shè)計，實施并于2012年部署，在2013年隨著實驗的擴大而公開宣布，并向IETF進(jìn)行了描述。

QUIC提高了當(dāng)前正在使用TCP的面向連接的Web應(yīng)用程序的性能。它在兩個端點之間使用用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)建立多個復(fù)用連接來實現(xiàn)此目的。

QUIC的次要目標(biāo)包括減少連接和傳輸延遲，在每個方向進(jìn)行帶寬估計以避免擁塞。它還將擁塞控制算法移動到用戶空間，而不是內(nèi)核空間，此外使用前向糾錯(FEC)進(jìn)行擴展，以在出現(xiàn)錯誤時進(jìn)一步提高性能。

HTTP3.0又稱為HTTP Over QUIC，其棄用TCP協(xié)議，改為使用基于UDP協(xié)議的QUIC協(xié)議來實現(xiàn)。

 

3. QUIC協(xié)議詳解

擇其善者而從之，其不善者而改之。

HTTP3.0既然選擇了QUIC協(xié)議，也就意味著HTTP3.0基本繼承了HTTP2.0的強大功能，并且進(jìn)一步解決了HTTP2.0存在的一些問題，同時必然引入了新的問題。

 

QUIC協(xié)議必須要實現(xiàn)HTTP2.0在TCP協(xié)議上的重要功能，同時解決遺留問題，我們來看看QUIC是如何實現(xiàn)的。

3.1 隊頭阻塞問題

隊頭阻塞 Head-of-line blocking(縮寫為HOL blocking)是計算機網(wǎng)絡(luò)中是一種性能受限的現(xiàn)象，通俗來說就是：一個數(shù)據(jù)包影響了一堆數(shù)據(jù)包，它不來大家都走不了。

隊頭阻塞問題可能存在于HTTP層和TCP層，在HTTP1.x時兩個層次都存在該問題。

 

HTTP2.0協(xié)議的多路復(fù)用機制解決了HTTP層的隊頭阻塞問題，但是在TCP層仍然存在隊頭阻塞問題。

TCP協(xié)議在收到數(shù)據(jù)包之后，這部分?jǐn)?shù)據(jù)可能是亂序到達(dá)的，但是TCP必須將所有數(shù)據(jù)收集排序整合后給上層使用，如果其中某個包丟失了，就必須等待重傳，從而出現(xiàn)某個丟包數(shù)據(jù)阻塞整個連接的數(shù)據(jù)使用。

QUIC協(xié)議是基于UDP協(xié)議實現(xiàn)的，在一條鏈接上可以有多個流，流與流之間是互不影響的，當(dāng)一個流出現(xiàn)丟包影響范圍非常小，從而解決隊頭阻塞問題。

3.2 0RTT 建鏈

衡量網(wǎng)絡(luò)建鏈的常用指標(biāo)是RTT Round-Trip Time，也就是數(shù)據(jù)包一來一回的時間消耗。

 

RTT包括三部分：往返傳播時延、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)排隊時延、應(yīng)用程序數(shù)據(jù)處理時延。

 

一般來說HTTPS協(xié)議要建立完整鏈接包括:TCP握手和TLS握手，總計需要至少2-3個RTT，普通的HTTP協(xié)議也需要至少1個RTT才可以完成握手。

然而，QUIC協(xié)議可以實現(xiàn)在第一個包就可以包含有效的應(yīng)用數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)0RTT，但這也是有條件的。

 

簡單來說，基于TCP協(xié)議和TLS協(xié)議的HTTP2.0在真正發(fā)送數(shù)據(jù)包之前需要花費一些時間來完成握手和加密協(xié)商，完成之后才可以真正傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

但是QUIC則第一個數(shù)據(jù)包就可以發(fā)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，從而在連接延時有很大優(yōu)勢，可以節(jié)約數(shù)百毫秒的時間。

 

QUIC的0RTT也是需要條件的，對于第一次交互的客戶端和服務(wù)端0RTT也是做不到的，畢竟雙方完全陌生。

因此，QUIC協(xié)議可以分為首次連接和非首次連接，兩種情況進(jìn)行討論。

3.3 首次連接和非首次連接

使用QUIC協(xié)議的客戶端和服務(wù)端要使用1RTT進(jìn)行密鑰交換，使用的交換算法是DH(Diffie-Hellman)迪菲-赫爾曼算法。

DH算法開辟了密鑰交換的新思路，在之前的文章中提到的RSA算法也是基于這種思想實現(xiàn)的，但是DH算法和RSA的密鑰交換不完全一樣，感興趣的讀者可以看看DH算法的數(shù)學(xué)原理。

DH算法開辟了密鑰交換的新思路，在之前的文章中提到的RSA算法也是基于這種思想實現(xiàn)的，但是DH算法和RSA的密鑰交換不完全一樣，感興趣的讀者可以看看DH算法的數(shù)學(xué)原理。

3.3.1 首次連接

簡單來說一下，首次連接時客戶端和服務(wù)端的密鑰協(xié)商和數(shù)據(jù)傳輸過程，其中涉及了DH算法的基本過程：

 

3.3.2 非首次連接

前面提到客戶端和服務(wù)端首次連接時服務(wù)端傳遞了config包，里面包含了服務(wù)端公鑰和兩個隨機數(shù)，客戶端會將config存儲下來，后續(xù)再連接時可以直接使用，從而跳過這個1RTT，實現(xiàn)0RTT的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)交互。

客戶端保存config是有時間期限的，在config失效之后仍然需要進(jìn)行首次連接時的密鑰交換。

3.4 前向安全問題

前向安全是密碼學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)術(shù)語，看下百度上的解釋：

前向安全或前向保密Forward Secrecy是密碼學(xué)中通訊協(xié)議的安全屬性，指的是長期使用的主密鑰泄漏不會導(dǎo)致過去的會話密鑰泄漏。

前向安全能夠保護(hù)過去進(jìn)行的通訊不受密碼或密鑰在未來暴露的威脅，如果系統(tǒng)具有前向安全性，就可以保證在主密鑰泄露時歷史通訊的安全，即使系統(tǒng)遭到主動攻擊也是如此。

通俗來說，前向安全指的是密鑰泄漏也不會讓之前加密的數(shù)據(jù)被泄漏，影響的只有當(dāng)前，對之前的數(shù)據(jù)無影響。

前面提到QUIC協(xié)議首次連接時先后生成了兩個加密密鑰，由于config被客戶端存儲了，如果期間服務(wù)端私鑰泄漏，那么可以根據(jù)K = mod p計算出密鑰K。

如果一直使用這個密鑰進(jìn)行加解密，那么就可以用K解密所有歷史消息，因此后續(xù)又生成了新密鑰，使用其進(jìn)行加解密，當(dāng)時完成交互時則銷毀，從而實現(xiàn)了前向安全。

 

3.5 前向糾錯

前向糾錯是通信領(lǐng)域的術(shù)語，看下百科的解釋：

前向糾錯也叫前向糾錯碼Forward Error Correction 簡稱FEC 是增加數(shù)據(jù)通訊可信度的方法，在單向通訊信道中，一旦錯誤被發(fā)現(xiàn)，其接收器將無權(quán)再請求傳輸。

FEC 是利用數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸冗余信息的方法，當(dāng)傳輸中出現(xiàn)錯誤，將允許接收器再建數(shù)據(jù)。

聽這段描述就是做校驗的，看看QUIC協(xié)議是如何實現(xiàn)的：

QUIC每發(fā)送一組數(shù)據(jù)就對這組數(shù)據(jù)進(jìn)行異或運算，并將結(jié)果作為一個FEC包發(fā)送出去，接收方收到這一組數(shù)據(jù)后根據(jù)數(shù)據(jù)包和FEC包即可進(jìn)行校驗和糾錯。

3.6 連接遷移

網(wǎng)絡(luò)切換幾乎無時無刻不在發(fā)生。

TCP協(xié)議使用五元組來表示一條唯一的連接，當(dāng)我們從4G環(huán)境切換到wifi環(huán)境時，手機的IP地址就會發(fā)生變化，這時必須創(chuàng)建新的TCP連接才能繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。

QUIC協(xié)議基于UDP實現(xiàn)摒棄了五元組的概念，使用64位的隨機數(shù)作為連接的ID，并使用該ID表示連接。

基于QUIC協(xié)議之下，我們在日常wifi和4G切換時，或者不同基站之間切換都不會重連，從而提高業(yè)務(wù)層的體驗。

 

4. QUIC的應(yīng)用和前景

通過前面的一些介紹我們看出來QUIC協(xié)議雖然是基于UDP來實現(xiàn)的，但是它將TCP的重要功能都進(jìn)行了實現(xiàn)和優(yōu)化，否則使用者是不會買賬的。

QUIC協(xié)議的核心思想是將TCP協(xié)議在內(nèi)核實現(xiàn)的諸如可靠傳輸、流量控制、擁塞控制等功能轉(zhuǎn)移到用戶態(tài)來實現(xiàn)，同時在加密傳輸方向的嘗試也推動了TLS1.3的發(fā)展。

但是TCP協(xié)議的勢力過于強大，很多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備甚至對于UDP數(shù)據(jù)包做了很多不友好的策略，進(jìn)行攔截從而導(dǎo)致成功連接率下降。

主導(dǎo)者谷歌在自家產(chǎn)品做了很多嘗試，國內(nèi)騰訊公司也做了很多關(guān)于QUIC協(xié)議的嘗試。

其中騰訊云對QUIC協(xié)議表現(xiàn)了很大的興趣，并做了一些優(yōu)化然后在一些重點產(chǎn)品中對連接遷移、QUIC成功率、弱網(wǎng)環(huán)境耗時等進(jìn)行了實驗，給出了來自生產(chǎn)環(huán)境的諸多寶貴數(shù)據(jù)。

簡單看一組騰訊云在移動互聯(lián)網(wǎng)場景下的不同丟包率下的請求耗時分布：

 

任何新生事物的推動都是需要時間的，出現(xiàn)多年的HTTP2.0和HTTPS協(xié)議的普及度都沒有預(yù)想高，IPv6也是如此，不過QUIC已經(jīng)展現(xiàn)了強大的生命力，讓我們拭目以待吧!

5.本文小結(jié)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議本身就很復(fù)雜，本文只能從整體出發(fā)對重要的部分做粗淺的闡述，如果對某個點很感興趣，可以查閱相關(guān)代碼和RFC文檔。

我們之前可能遇到過這個面試題：

如何用UDP協(xié)議來實現(xiàn)TCP協(xié)議的主要功能。

我確實筆試遇到過這道題，可以說很抓狂，題目太宏大了。

不過現(xiàn)在看看QUIC協(xié)議就回答了這個問題：基于UDP主體將TCP的重要功能轉(zhuǎn)移到用戶空間來實現(xiàn)，從而繞開內(nèi)核實現(xiàn)用戶態(tài)的TCP協(xié)議，但是真正實現(xiàn)起來還是非常復(fù)雜的。