QUIC的那些事 | 包类型及格式

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本文详细介绍了QUIC协议的报文结构，包括报文头、特殊报文（版本协商报文、公共重置报文）以及普通报文（帧包、FEC包）。重点阐述了报文头的Public Flags字段及其意义，同时讨论了QUIC报文的加密与认证机制，确保了通信的安全性。

QUIC 的 packet 除了个别报文比如 PUBLIC_RESET 和 CHLO，所有报文头部都是经过认证的，报文 Body 都是经过加密的。这样只要对 QUIC 报文任何修改，接收端都能够及时发现，有效地降低了安全风险。

如图 1所示，红色部分是 Stream Frame 的报文头部，有认证。绿色部分是报文内容，全部经过加密。

QUIC报文分为特殊报文和普通报文。特殊报文又分为两类：版本协商报文（Version Negotiation Packets）及公共重置报文（Public Reset Packets）。普通报文也分为两类：帧报文及FEC（Forward Error Correction）报文。

QUIC报文的大小需要满足路径MTU的大小以避免被分片。当前QUIC在IPV6下的最大报文长度为1350，IPV4下的最大报文长度为1370.

报文头

QUIC报文都有一个公共的头部，大小在2-19字节之间，格式如图 2所示：

其中，图 2中的长度是以Bit为单位，如Connection ID的0,8,32,64，单位均为Bit.

第一字节为：Public Flags：

Public Flag的8位如下所示，左边为高位，右边为低位

Bit7

Bit6

Bit5

Bit4

Bit3

Bit2

Bit1

Bit0

如果Bit0被置上（0x01 = PUBLIC_FLAG_VERSION = 0x01），该字段的含义取决于报文是客户端还是服务端发送。如果是客户端发送，这一位被置上表示QUIC Version字段不为空，且QUIC Version字段被填充为客户端的QUIC版本信息。在客户端收到服务端同意建立该版本的连接报文抵达之前，客户端发送的所有报文的这一位必须都要被设置。如果服务端同意建立该版本的连接，那么这一位不用设置。如果这一位被服务端置上，那么表示该报文是版本协商报文（Version Negotiation Packet）。

如果Bit1被置上（0x02 = PUBLIC_FLAG_RESET），表明该报文是公共重置报文（Public Reset packet）

Bit2、Bit3两位表示报文中的Connection ID的长度。直至协商另外一个值之前，在所有的报文中，这两位必须设置被设置为相同（客户端可能请求更少的数据，所以ConnectID的长度需要变化）

0x0C（Bit3及Bit2均为1）表示Connection ID长度是8字节

0x08（Bit3位1，Bit2为0）表示Connection ID长度是4字节

0x04（Bit3位0，Bit2为1）表示Connection ID长度是1字节

0x00（Bit3及Bit2均为0）表示无Connection ID

Bit4、Bit5两位表示每个数据包中存在的数据包编号的字节数。对于帧数据，这两位才使用，对于Public Reset报文及Version Negotiation报文，这两位必须为0

0x30（Bit5及Bit4均为1）表示：包序号是6个字节

0x20（Bit5为1，Bit4为0）表示：包序号是4个字节

0x10（Bit5为0，Bit4为1）表示：包序号是2个字节

0x00（Bit5及Bit4均为0）表示：包序号是1个字节

Bit6：预留给多路径使用

Bit7：未使用，必须为0

Connection ID:客户端随机选择的最大长度为64位的无符号整数。但是，长度可以协商。

QUIC Version：QUIC协议的版本号，32位的可选字段。如果Public Flag & FLAG_VERSION != 0，这个字段必填。客户端设置Public Flag中的Bit0为1，并且填写期望的版本号。如果客户端期望的版本号服务端不支持，服务端设置Public Flag中的Bit0为1，并且在该字段中列出服务端支持的协议版本（0或者多个），并且该字段后不能有任何报文。

Packet Number：长度取决于Public Flag中Bit4及Bit5两位的值，最大长度6字节。发送端在每个普通报文中设置Packet Number。发送端发送的第一个包的序列号是1，随后的数据包中的序列号的都大于前一个包中的序列号。

Public Flags的解析流程如图3所示：

特殊报文

版本协商报文

版本协商报文（version negotiation packet）只由服务端发送。版本协议报文以1字节的Public Flag及8字节的Connection ID开始。必须设置PUBLIC_FLAG_VERSION且标识Connection ID长度为8字节，最后面就是服务端支持的协议版本（4字节）。

Public Reset报文

Public Reset报文以1字节的Public Flag及8字节的Connection ID开始。必须设置PUBLIC_FLAG_RESET且标识Connection ID长度为8字节，剩余的部分是QUIC Tag。

Tag value map包含如下的tag-values：

RNON (public reset nonce proof)：64位的无符号整数，必填

RSEQ (rejected packet number) ：64位的无符号整数，必填

CADR (client address)：客户端的IP地址及端口。当前用于调试用途，可选

普通报文（Regular Packet）

普通的报文被验证（authenticated）且被加密。公有头被验证但是没有加密，从Private Flags字段开始的报文被加密。普通的报文包含AEAD（authenticated encryption and associated data）报文。普通报文必须被解密，并且密文被解密后，明文以Private Header开始。

普通报文中私有头格式如图 6所示：