QUIC来了！

news2024/9/23 1:29:18

什么是QUIC

QUIC，快速UDP网络连接(Quick UDP Internet Connection)的简称，即RFC文档描述它为一个面向连接的安全通用传输协议。其基于UDP协议实现了可靠传输及拥塞控制，简单来说，QUIC = TCP + TLS。

为什么有了QUIC

HTTP2.0为了为了解决HTTP1.x请求队头阻塞的问题（收到前一个请求的响应才允许发送下一个请求），抽象出了stream的概念。在一条HTTP连接中支持多条stream，每条stream可以单独发送请求而与其它stream互不干扰，这样就可以同时发生多个请求，而不必非要等到收到响应，提高了发送效率。

但是，虽然应用层不存在队头阻塞的问题了，由于HTTP底层是TCP协议，多个stream仍然是复用一条TCP连接，所以当多个请求到达服务端，接收队列可能是这个样子的：

看到了吧，虽然请求二的的包都已经完整，但由于前面有一个5号包迟迟没有到来，导致这个请求被阻塞，这就是TCP队头阻塞问题。QUIC设计出来的目的这就人尽皆知了！

协议栈

谁都知道TCP在传输层，HTTP在应用层，TLS在之间的安全套接层，那么QUIC在哪一层呢？

ヽ(ﾟДﾟ)ﾉ不好意思，上错图了，是这张才对：

QUIC在UDP之上，属于应用层，HTTP3基于QUIC实现。

QUIC特性

快速握手

众所周知TCP需要三次握手，对于开启了TCP Fast Open选项的TCP连接来说，建立可靠连接需要1个RTT。但安全连接的建立TLS握手一般需要2个RTT，如此总共就是3个RTT才能建立安全、可靠的连接。那么QUIC呢？

1-RTT

客户端发送一个包含QUIC版本号、客户端传输参数、加密扩展（包括TLS 1.3的Client Hello消息）的QUIC初始包（Initial packet）。这个包使用QUIC特定的初始密钥进行加密，这些密钥是从客户端的连接ID和QUIC版本号派生的。Client Hello中包括TLS协议版本、支持的密码套件、压缩方法、扩展、客户端随机数等信息。
服务器收到客户端的初始包后，发送一个包含自己的传输参数和加密扩展（包括TLS 1.3的Server Hello消息）的QUIC初始包以及Handshake packet。Server Hello中包括服务器选择的密码套件、服务器随机数、服务器证书、证书验证和加密扩展。Handshake packet，其中包含加密的扩展和TLS握手的其余部分，如服务器的Finished消息。
客户端收到服务器的初始包和Handshake packet后，验证服务器证书和Finished消息。然后，客户端发送包含TLS 1.3的Client Finished消息的Handshake packet，完成TLS握手。此时，客户端和服务器都有了足够的信息来生成最终的加密密钥，用于保护QUIC通信。

一旦TLS握手完成，客户端和服务器就可以开始使用1-RTT密钥来加密和解密数据包，进行安全的数据传输。

0-RTT

在先前的成功的QUIC连接中，客户端和服务器通过完整的1-RTT握手建立了一个安全的会话，并且客户端和服务器互相缓存了对端的协商参数，这个参数包含了用于将来0-RTT握手的必要信息。

当客户端希望重新连接到服务器时，它使用保存的服务器参数计算出前一个1-RTT阶段的会话密钥，用这个密钥加密数据发送。同时，开启一个1-RTT的协商流程。
服务器接收到客户端的0-RTT数据后，使用存储的会话信息来解密和处理这些数据。同时，也会响应客户端的1-RTT握手。

新的握手流程跟初始的1-RTT握手没什么两样，只是已经开始携带数据了。新的握手完成后，会话密钥切换为新的，保证前向安全。

连接迁移

考虑到现在普通使用移动互联，一会在家连个wifi，一会出门自动换到4G或者5G，进个奶茶店又连上了WIFI。如果使用TCP连接，那么会连接多次断开重连，造成不好的用户体验。因此，QUIC支持了连接迁移的功能。

传统的 TCP 协议是以四元组（源 IP 地址、源端口号、目的 ID 地址、目的端口号）来标识一条连接，那么一旦四元组的任何一个元素发生了改变，这条连接就会断掉，那么这条连接中正在传输的数据就会断掉，切换到新的网络后可能需要重新去建立连接，然后重新发送数据。这将会导致用户的网络会“卡”一下。

新时代的QUIC 不再以四元组作为唯一标识，转而使用连接 ID 来标识一条连接，这样无论你的网络如何切换，底层的IP端口如何变化，QUIC依然是稳如老狗！

无队头阻塞

正如开篇所说，HTTP2.0由于底层使用TCP连接，所以存在传输层的队头阻塞问题，导致后到的同个连接里的请求无法及时处理，基于UDP的QUIC自然不存在这个问题了，实际实现中，QUIC中的每个stream都会维护一个自身的接收窗口，请求组包完整后可以立即处理，跟其它请求彻底撇清关系！

包序号递增

TCP为了保证可靠性，使用了基于字节序号的Seq及Ack来确认消息的有序到达。

QUIC同样是一个可靠的协议，不同的是，它使用Packet Number代替了TCP的Seq，并且每个Packet Number 都严格递增，也就是说就算Packet N 丢失了，重传的Packet N的Packet Number已经不是N，而是一个比N 大的值。而TCP呢，重传包的Seq和原始的包的Seq是一样的，也正是由于这个特性，导致TCP重传存在歧义。具体的，可能影响RTT等参数的计算，导致拥塞避免算法不够准确。

具体的，QUIC通过Stream ID及Offset 来确定重传的数据包位于原始数据包的哪个位置。

可定制化的拥塞控制算法

不同于TCP实现在内核层，跟内核深度绑定，想要修改协议复杂度可想而知，且现网设备也不是那么容易替换的，存在很大的成本问题。QUIC使用可插拔的拥塞控制，相较于TCP，它能提供更丰富的拥塞控制信息。QUIC带有收到数据包与发出ACK之间的时延信息。这些信息能够帮助更精确的计算 RTT。另外，QUIC ACK包的 Frame 支持256个NACK 区间，相比于TCP的SACK(Selective Acknowledgment)更精细，可以让client和server更清楚的确认哪些包已经被对方收到。