QUIC协议----简单学习整理

原创已于 2022-06-17 10:55:06 修改 · 2.2k 阅读

3 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#网络 #http

于 2022-06-16 15:51:10 首次发布

音视频专栏收录该内容

6 篇文章

订阅专栏

引言

2022年6月，HTTP/3正式被标准化为RFC 9114，其将是HTTP超文本传输协议的第三个主要版本。HTTP协议作为一个简单的请求-响应协议，各个主要版本主要是在于优化传输效率及安全性方面进行优化改进。

目前来说，仍存在大量服务器使用HTTP/1.1协议，其特点是，每个请求会独立建立一个TCP连接，而浏览器通常都会对单个域名的连接数进行限制，当连接数量过多，后续的请求就会排队等待。实际中，某些网站会采用多域名的方式去规避上述问题，但每一个请求的TCP建连开销仍然存在。

HTTP/2 采用多路复用技术，解决上述问题，其在一个TCP连接上同时传输多个请求和相应消息，如此排队等待的问题就迎刃而解了，同时也减少了TCP连接过程。除了多路复用提高请求的并发能力之外，还支持服务端主动推送以及头部压缩。其优点很多，但仍存在固有问题，和HTTP/1.1一样，其传输层基于TCP协议，由于TCP协议的丢包重传机制，如果一个请求发生丢包，浏览器会不断重传该数据包，进而阻塞后续请求，这也就是TCP的队头阻塞问题。

HTTP/3采用QUIC协议代替TCP协议提供可靠性传输，QUIC协议是基于UDP协议的，并采用了流的概念，不同的请求通过不同的有序字节流传输，即同一连接下互不影响的逻辑信道。同时具有流ID和流偏移2个字段，使得数据包可以乱序传输，而正确组装。当出现丢包时，仅重传出现丢包的流即可，并不会阻塞其他请求的传输，也就没有队头阻塞的问题。

QUIC

QUIC 源于Quick UDP Internet Connections，而如今是一个独立协议名称。QUIC 是一种基于UDP的安全、可靠、多路复用的传输协议。QUIC 是一种面向连接的协议，它在客户端和服务器之间创建有状态的交互。

QUIC的握手过程包含了加密和传输参数的协商，其集成了TLS握手。握手过程会尽快地完成数据交换，在有前置通信或配置的情况下，可以做到立即发送数据（0-RTT）。QUIC通信是基于数据包的，大多数数据包中含有1个或者更多的帧，这些帧携带控制信息或用户数据，最后利用UDP在网络中传输。上层应用在使用QUIC连接中的有序字节流交换数据，其可以创建两种流：双向流，允许两端均发送数据；单向流，仅允许单个端发送数据。QUIC 连接并不严格绑定到单个网络路径。连接迁移使用连接标识符（不同于传统的五元组，使用64位随机数作为标识）完成连接转移到新的网络路径。只有客户端才能在目前版本的 QUIC 中迁移。还允许在网络拓扑或地址映射发生变化后继续连接，例如可能由 NAT 重新绑定引起的变化。

在这里插入图片描述

QUIC = TLS + TCP+HTTP/2 其整合了TCP的可靠性，TLS的安全性以及HTTP/2多路复用的并发性。

数据格式

Packet

long packet header

Long Header Packet {
  Header Form (1) = 1,
  Fixed Bit (1) = 1,
  Long Packet Type (2),
  Type-Specific Bits (4),
  Version (32),
  Destination Connection ID Length (8),
  Destination Connection ID (0..160),
  Source Connection ID Length (8),
  Source Connection ID (0..160),
  Type-Specific Payload (..),
}

long packet header 用于在 1-RTT 密钥建立之前发送的数据包。当1-RTT 密钥建立后，发送方会切换回short packet header。long packet header格式被用于特殊的数据包，例如版本协商数据包，其个字段含义如下：

Header Form: 对于long packet header第一个字节的最高位必须设置为1。

Fixed Bit：只有版本协商数据包该位会置为0，但目前未被使用，该位为0的数据包目前不会被处理，设置为1

Long Packet Type: 第一个字节的接下来2位表示数据包的类型，0为Initial Packet，1为0-RTT，2为Handshake Packet，3为Retry Packet，详细内容见最下方RFC文档

Type-Specific Bits: 第一个字节的低四位语义有数据包类型决定。

Version: QUIC 版本是跟在第一个字节之后的 32 位字段。此字段指示正在使用的 QUIC 版本，并确定如何解释其余协议字段。

Destination Connection ID Length: 版本后面的字节包含其后面的目标连接 ID 字段的字节长度。8位无符号整数

Destination Connection ID：连接标识ID

Source Connection ID Length: 源连接 ID 字段的字节长度。 8 位无符号整数。

Source Connection ID：源连接ID

Type-Specific Payload: 数据包的其余部分（如果有）是特定于类型的。

short packet header

Packet {
  Header Form (1) ,
  Fixed Bit (1) ,
  Spin Bit (1),
  Reserved Bits (2),
  Key Phase (1),
  Packet Number Length (2),
  Destination Connection ID (0..160),
  Packet Number (8..32),
  Packet Payload (8..),
}

1-RTT 数据包使用short packet header。它在版本协商和 1-RTT 密钥协商后使用。

Header Form: 对于short packet header，第一个字节的最高位设置为0。

Fixed Bit: 只有版本协商数据包该位会置为0，但目前未被使用，该位为0的数据包目前不会被处理，设置为1。

Spin Bit：第一个字节的第三个最高有效位表示延迟自旋位。

Reserved Bits: 下两位被保留。

Key Phase: 下一位表示密钥阶段，它允许数据包的接收者识别用于保护数据包的数据包保护密钥。

Packet Number Length: 最低有效两位包含数据包编号字段的长度，编码为无符号两位整数，比数据包编号字段的长度（以字节为单位）小 1。即 Packet Number 字段的长度是该字段的值加一。

Destination Connection ID：连接标识ID

Packet Number：字段的长度为 1 到 4 个字节。数据包编号使用Header protection进行加密。

Packet Payload：1-RTT 数据包总是包含一个 1-RTT 加密的有效载荷。

Frame

Packet (负载部分)包含一个或多个Frame。Frame的类型由很多，如PADDING Frames、PING Frames、ACK Frames 、RESET_STREAM Frames、STOP_SENDING Frames、CRYPTO Frames、STREAM Frames、CONNECTION_CLOSE Frames、HANDSHAKE_DONE Frames等等。

Frame {
  Type (i) ,
  [Type-Specific Payload],
}

Type: 表示帧的类型。

QUIC Stream数据流是QUIC主要数据传输的载体，STREAM Frames是其必要组成单元，以此为例简单介绍。

STREAM Frame {
  Type (i) = 0x08..0x0f,
  Stream ID (i),
  [Offset (i)],
  [Length (i)],
  Stream Data (..),
}

Stream ID: 一个可变长度整数，表示流的流 ID。原版协议支出是一个62位的整数，一般认为1-4个字节长度

Offset: 一个可变长度整数，指定此 STREAM 帧中的数据在流中的字节偏移量。一般认为0-8个字节长度

Length: 一个可变长度整数，指定此 STREAM 帧中流数据字段的长度。一般认为0-2个字节长度

Stream Data: 被传递的指定流中的数据。

更详细的说明：https://zhuanlan.zhihu.com/p/405387352

握手

QUIC实现了快速握手，并把握手过程分为两种情况，分别是1-RTT和0-RTT。

在这里插入图片描述

1-RTT建连

若客户端没有服务器相关配置信息，只能进行1-RTT建连。

客户端主动向服务器发起连接，发送Inchoate CHLO 请求服务器配置参数。
服务器收到CHLO后，回复REJ（rejection）消息，其中含有服务器配置参数。
客户端向服务器发送complete CHLO消息，携带其生成的公开数，此时客户端已经可以根据服务端配置信息和自身选择的随机数，计算出初始密钥。
服务器收到complete CHLO消息，利用客户端的公开数计算出初始密钥，并向客户端回复用初始密钥加密的的SHLO消息，其含有一个服务器生成的临时随机数，用于生成会话密钥。
客户端收到SHLO消息，并用初始密钥解密，进而生成会话密钥。
客户端和服务器之前，利用会话密钥进行加密通信。

QUIC集成了TLS1.3，在协商完初始密钥后即会同时发送业务数据，并在更新会话密钥后切换到使用会话密钥，所有仅有1-RTT时间的延时。

0-RTT

如上所述，如果客户端缓存有服务器配置信息，可以直接发送complete CHLO消息，并发送加密数据。服务器收到消息后，会用初始密钥解密数据，并产生随机数用于生成会话密钥，并回复携带随机数的SHLO消息，客户端利用该随机数生成会话密钥，客户端和服务器之前，利用会话密钥进行加密通信。

在初始密钥后，再协商出一个最终的会话密钥，其目的是为了获取前向安全特性，服务端的后面生成的这份公私钥是临时生成的，不会保存下来，也就杜绝了密钥泄漏导致会话数据被恶意收集后的被解密的风险。

QUIC性能特点

建连更快

QUIC建连时间大约0~1 RTT，在两方面做了优化，一是传输层使用了UDP，相比于TCP减少了1RTT的三次握手的建连时间。二是加密协议采用了TLS 协议的最新版本TLS 1.3，相对之前的TLS 1.1-1.2，TLS1.3允许客户端无需等待TLS握手完成就开始发送应用程序数据，可以支持0-RTT和 1-RTT。

对于QUIC协议，客户端第一次建连的握手协商需1-RTT，而已建连的客户端重新建连可以使用之前协商好的缓存信息来恢复TLS连接，仅需0-RTT时间。因此QUIC建连时间大部分0-RTT、极少部分1-RTT，相比HTTPS的3-RTT的建连，具有极大的优势。

避免队头阻塞的多路复用

QUIC也支持多路复用，相比HTTP/2，QUIC的流与流之间完全隔离的，互相没有时序依赖。如果某个流出现丢包，仅重传丢包的流即可，不会阻塞其他流数据的传输和应用层处理，所以其并不会造成队头阻塞。

连接迁移

任何一条 QUIC 连接不再五元组作为标识，而是以一个 64 位的随机数作为 ID 来标识，这样就算 IP 或者端口发生变化时，只要 ID 不变，这条连接依然维持着，上层业务逻辑感知不到变化，不会中断，也就不需要重连。由于这个 ID 是客户端随机产生的，并且长度有 64 位，所以冲突概率非常低。

可选的拥塞控制算法

Cubic、BBR、Reno等拥塞控制算法，也可以根据具体的场景定制私有算法。

两级流量控制

QUIC同样采用了滑动窗口机制，在Connection和Stream两个级别分别进行流量控制。用公式表示就是： connection可用窗口 = stream1可用窗口 + stream2可用窗口 + streamN可用窗口

前向纠错（FEC）

QUIC支持前向纠错，通过增加冗余数据，使数据包具有自动纠错的能力，可以减少重传次数，提升传输效率。

QUIC发展的一些问题

摘选自https://mp.weixin.qq.com/s/Ogfj0QlLF17sD60L3pwYXw

集成难度

无论是在客户端还是服务端，QUIC协议的集成并非一件易事。如果当前使用的网络不支持QUIC，意味着我们需要修改应用程序来适配网络库的调整。这往往并不是应用迭代的出发点。

下面让我们来看看客户端和服务端在集成QUIC协议时需要考虑的问题：

客户端

应用适配成本和收益之间的权衡。
过渡期可能还需要新旧网络库都存在，方便降级容错，增加应用体积。
不同的QUIC库的接口并不统一，不像Socket统一接口具备移植性。

服务端

网络事件模型需要适配QUIC协议栈做调整，同时还要考虑和TCP的兼容。
后端架构面临调整，4层Load Balancer是否支持QUIC，HTTP/3的QUIC流量如何换成HTTP/1转给Backend Service。
需要考虑到多Region、多节点之间的QUIC连接复用和连接迁移。
服务端QUIC流量的能耗比，如何做到和TCP一样的能耗性能。

QUIC协议栈性能

对比已经发展了三十多年的TCP协议，新兴的QUIC协议在协议栈实现的工程上还有很多优化的事情要做，根据Google 2017年公开的数据，当时QUIC同等流量的CPU消耗是TCP的2倍之多。QUIC协议栈的性能痛点主要有：

UDP数据包收发性能
数据装包、拆包处理性能
数据包解析性能
ACK处理性能
加、解密性能
其他流程处理的性能：数据包Pacing、CC算法、内存使用等

UDP数据包性能

UDP数据包在内核接收发送上一直没有得到和TCP数据包一样的优化待遇，UDP收发占据了QUIC协议栈比较大的消耗。

原始的sendto/write的UDP Socket接口性能很弱。
批量收发数据sendmsg/sendmmsg提升不够明显。
内核GRO/GSO可以提升性能，但还不够。
内核XDP或者DPDK可大幅提升性能，但程序改造量极大。
硬件NIC Offload UDP收发能终极优化，同样程序改造量极大。

UDP被运营商QoS限制

国内运营商确实会对UDP流量做些QoS的限制，但是能够被QoS限制的比例微乎其微，可以完全忽略。运营商这么做主要基于两个原因：

UDP流量五元组在NAT状态上连接老化的时间控制不够精确，时间设置太长会破坏低频通信的UDP连接，太短会导致UDP连接消耗比较多的设备性能。一般会选择一个折中的经验值，这就会伤害一些特定场景的UDP流量了。
运营商设备上包分类的优先级队列对于UDP五元组的管理比较困难，因为UDP的五元组会频繁变动，只能眼睁睁看着UDP流量挤占各级队列，却没办法实施精确地控制。一般来说，运营商会在特定时间段或者特定负载情况下对UDP流量做全局限制。

QUIC Datagram——QUIC的非可靠数据报文传输扩展

QUIC v1（RFC9000）提供了一个安全、可靠、多路复用的传输方案，QUIC Stream数据流是QUIC主要数据传输的载体，可靠传输是其需要保证的基本功能。

但是有些应用场景并不需要严格的可靠传输，例如实时音视频、在线游戏等。现在这些场景有些是直接基于自定义UDP或者WebRTC实现的。自定义UDP实现传输层功能的话比较麻烦，工程量大，有时候为了安全考虑还需要加上DTLS支持，而WebRTC的建立数据传输通道流程也比较繁琐，WebRTC主要场景是为了P2P设计的，长远来看并不适合客户端服务端的场景。

因此，QUIC支持不可靠数据传输能够让QUIC协议的应用范围更广，适合更多的应用场景，而且QUIC之上的不可靠数据传输能够很好地复用QUIC的安全特性。