【quic协议】quic介绍及部分ns3-quic源码解析

本文参考书籍

主要是参考这本书籍；

QUIC源码参考：github ns3-quic源码
注：该源码直接使用会有各种报错，例如0RTT建连失败等等；目前本人针对该源码进行了一定修改；但未完善；

注：本文主要参考来源如上，博主只是阶段quic学习使用者，如有不对请指正；

ns3-Quic主要文件介绍

• quic-header.h文件有详细的包头的字段以及函数
• quic-subheader封装 QUIC 协议帧的头部结构，提供帧的创建、序列化与反序列化功能
  • 控制帧：ACK、RST_STREAM、CONNECTION_CLOSE（连接管理）。
  • 流量控制帧：MAX_DATA、MAX_STREAM_DATA（窗口更新）。
  • 数据帧：STREAM（数据传输，支持分片与FIN标志）。
  • 路径验证：PATH_CHALLENGE、PATH_RESPONSE（NAT 穿透）。
• QuicTransportParameters 连接握手阶段交换的核心参数集合，用于协商连接特性（如流量控制、空闲超时等）
  • 流量控制参数 连接行为参数：
• quic-l4-protocol.h
  • QuicUdpBinding类实现了quic套接字与udp套接字的绑定
  • QuicL4Protocol类(数据的收发和路由，连接的安全性，管理 QUIC 和 UDP 的交互)
    • 创建Quic套接字CreateSocket（由 QuicSocketFactory 调用）
    • Udp套接字和Quic套接字绑定
    • 处理节点 QUIC 套接字之间的数据多路复用/分解
      • 分解：从 UDP 接收数据包，将数据包转发到正确的套接字
      • 复多路复用（Multiplexing）通过 SendPacket 函数完成：将数据包向下发送到协议栈
    • 管理对等节点之间的连接认证：通过检查从 UDP 层接收的数据包来实现认证，检查向下传递到协议栈的数据包
    • bool m_0RTTHandshakeStart 标志是否开启0RTT握手
• quic-l5-protocol
  • CreateStream 方法处理QUIC流
  • QUIC套接字绑定到相应的流上。
  • 解复用（Demultiplexing）：从QUIC套接字接收数据包，并将其转发给关联的流。
  • 多路复用（Multiplexing）：数据包通过此方法被分发到不同的流上，实现了多路复用技术
  • 接受处理（接收来自 QUIC 套接字的数据包，将其拆解为多个 帧（Frames）。根据帧的类型和用途，决定由套接字处理还是转交给对应的流（Stream））
• quic-congestion-ops quic拥塞控制算法基类public TcpNewReno
  • 用到QuicSocketState：public TcpSocketState（为实现quic的特有功能）
• quic-bbr ：public QuicCongestionOps
  • 实现基于quic的bbr拥塞算法
• quic-stream
  • 流类型（QuicStreamTypes_t
    + CLIENT_INITIATED_BIDIRECTIONAL：客户端发起的双向流（如 HTTP/3 请求-响应）。
    + SERVER_INITIATED_BIDIRECTIONAL：服务端发起的双向流。
    + CLIENT/SERVER_INITIATED_UNIDIRECTIONAL：单向流（如服务端推送）
  • 流方向（QuicStreamDirectionTypes_t
    + SENDER（发送端）、RECEIVER（接收端）、BIDIRECTIONAL（双向）。
    通过 SetStreamDirectionType 和 GetStreamDirectionType 动态管理流方向。
  • 流状态机（QuicStreamStates_t）
    + 发送端状态链：OPEN → SEND → DATA_SENT → DATA_RECVD。
    + 接收端状态链：RECV → SIZE_KNOWN → DATA_READ。
    状态转换通过条件判断（如 SetStreamStateSendIf）触发，确保协议逻辑的正确性。
  • 流标识管理
    SetStreamId 和 GetStreamId 用于设置和获取流的唯一 ID，QUIC 流 ID 的 LSB 决定了流类型 3。
  • 缓冲区控制
    GetStreamTxAvailable 提供发送缓冲区剩余空间的查询，支持流量控制。
  • 节点与连接绑定
    SetNode 和 SetConnectionId 将流与 ns-3 节点及 QUIC 连接绑定，实现多路复用。

Quic报文

分层

• 连接(Connection)是最基本的QUIC实例，一个连接代表客户端和服务器之间的单次会话。
• 流(Stream)是QUIC提供给应用层的有序字节流抽象，在QUIC协议内部以流标识(Stream ID)区分，在QUIC报文中封装为STREAM帧。

• QUIC协议将应用的数据封装在STREAM帧中，和QUIC协议自身的其他QUIC语义的帧封装成QUIC报文一起发送

报文格式

QUIC 报头长度是一个动态值，取决于报头的类型和字段内容；

• 一类是长首部报文，用于建立QUIC连接和建立连接前发送应用数据；
• 一类是短首部报文，用于在QUIC连接建立后发送应用数据和QUIC协议内容

长首部格式

长包头用于连接建立的初始阶段（如Initial、Handshake、0-RTT、Retry包）；通常为 16-32 字节；长首部报文用于QUIC连接建立，直到1-RTT密钥协商成功才可以开始使用短首部报文；

QUIC（Quick UDP Internet Connections）协议的包头大小取决于使用的包头类型（长包头或短包头）以及具体字段的配置。

初始报文

客户端使用初始报文来发起连接，服务器使用初始报文和握手报文回应客户端的连接请求：

客户端发送的包含初始报文的UDP数据报必须填充至1200字节，这可以跟0-RTT报文或其他报文合并，也可以使用PADDING帧填充。同样，服务器发送的包含引发确认的初始报文的数据报也必须填充至1200字节。这样可以确保两个方向都满足QUIC的最小PMTU要求

0-RTT报文

• 0-RTT报文只能包含STREAM帧，不能包含ACK帧，服务器使用1-RTT报文中的ACK帧确认客户端的0-RTT报文，所以两者使用同一个报文编号空间。根据TLS 1.3和QUIC的规定，0-RTT报文只能由客户端发出

.握手报文