10 分钟讲完 QUIC 协议

语言: CN / TW / HK

建议阅读本文需要搭配作者 HTTP 相关文章食用。

历史 HTTP 系列文章:

看完这篇HTTP,跟面试官扯皮就没问题了

HTTP 2.0 ,有点炸 !

这里先来回顾一下 HTTP 的发展过程。首先,我们想要一种能够在网络上获取文档内容的协议,通过一种叫做 GET 请求的方式进行获取,后来这种 GET 请求被写入了官方文档,HTTP/1.0 应运而生。HTTP/1.0 的出现可以说是颠覆性的,它里面涵盖的一些标准我们目前还仍在使用,例如 HTTP header,协议号的概念,不过,这个版本的 HTTP 还有一些明显的缺陷,比如它不支持持久性连接,每次请求响应后,都需要断开连接,这样效率很差。没过了多久,制定了 HTTP/1.1 标准,这个标准是互联网上使用最频繁的一个标准,HTTP/1.1 解决了之前不支持持久性连接的缺陷,而且 HTTP/1.1 还增加了缓存和控制模块。

但是,即便 HTTP/1.1 解决了一部分连接性能问题,它的效率仍不是很高,而且 HTTP 还有一个队头阻塞问题(关于队头阻塞我已经在 HTTP2.0 的那篇文章中进行了说明和介绍。)

假如有五个请求被同时发出,如果第一个请求没有处理完成,就会导致后续的请求也无法得到处理,如下图所示

如果第一个请求没有被处理,那么 2 3 4 5 这四个请求会直接阻塞在客户端,等到请求 1 被处理完毕后,才能逐个发出。网络通畅的时候性能影响不大,不过一旦请求 1 因为某些原因没有抵达服务器,或者请求因为网络阻塞没有及时返回,影响的就是所有后续请求,导致后续请求无限阻塞下去,问题就变得比较严重了。

虽然 HTTP/1.1 使用了 pipling 的设计用于解决队头阻塞问题,但是在 pipling 的设计中,每个请求还是按照顺序先发先回,并没有从根本上解决问题。随着协议的不断更新,提出了 HTTP/2.0 。

HTTP/2.0

HTTP/2.0 解决队头阻塞的问题是采用了 stream 和分帧的方式。

HTTP/2.0 会将一个 TCP 连接切分成为多个 stream,每个 stream 都有自己的 stream id,这个 stream 可以是客户端发往服务端,也可以是服务端发往客户端。

HTTP/2.0 还能够将要传输的信息拆分为帧,并对它们进行二进制格式编码。也就是说,HTTP/2.0 会将 Header 头和 Data 数据分别进行拆分,而且拆分之后的二进制格式位于多个 stream 中。下面来看张图。

可以看到,HTTP/2.0 通过这两种机制,将多个请求分到了不同的 stream 中,然后将请求进行分帧,进行二进制传输,每个 stream 可以不用保证顺序乱序发送,到达客户端后,客户端会根据每个 stream 进行重组,而且可以根据优先级来优先处理哪个 stream。

QUIC 协议

虽然 HTTP/2.0 解决了队头阻塞问题,但是每个 HTTP 连接都是由 TCP 进行连接建立和传输的,TCP 协议在处理包时有严格的顺序要求。这也就是说,当某个包切分的 stream 由于某些原因丢失后,服务器不会处理其他 stream,而会优先等待客户端发送丢失的 stream 。举个例子来说,假如有一个请求有三个 stream,其中 stream2 由于某些原因丢失了,那么 stream1 和 stream 2 的处理也会阻塞,只有收到重发的 stream2 之后,服务器才会再次进行处理。

这就是 TCP 连接的症结所在。

鉴于这个问题,我们先把 TCP 放一放,先来认识一波 QUIC 协议。

QUIC 的小写是 quic,谐音 quick,意思就是 。它是 Google 提出来的一个基于 UDP 的传输协议,所以 QUIC 又被叫做 快速 UDP 互联网连接

首先 QUIC 的第一个特征就是快,为什么说它快,它到底快在哪呢?

我们大家知道,HTTP 协议在传输层是使用了 TCP 进行报文传输,而且 HTTPS 、HTTP/2.0 还采用了 TLS 协议进行加密,这样就会导致三次握手的连接延迟:即 TCP 三次握手(一次)和 TLS 握手(两次),如下图所示。

对于很多短连接场景,这种握手延迟影响较大,而且无法消除。

相比之下,QUIC 的握手连接更快,因为它使用了 UDP 作为传输层协议,这样能够减少三次握手的时间延迟。而且 QUIC 的加密协议采用了 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的操作,可以支持1 RTT 和 0 RTT,从而达到 快速建立连接 的效果。

我们上面还说过,HTTP/2.0 虽然解决了队头阻塞问题,但是其建立的连接还是基于 TCP,无法解决请求阻塞问题。

而 UDP 本身没有建立连接这个概念,并且 QUIC 使用的 stream 之间是相互隔离的,不会阻塞其他 stream 数据的处理,所以使用 UDP 并不会造成队头阻塞。

在 TCP 中,TCP 为了保证数据的可靠性,使用了 序号+确认号 机制来实现,一旦带有 synchronize sequence number 的包发送到服务器,服务器都会在一定时间内进行响应,如果过了这段时间没有响应,客户端就会重传这个包,直到服务器收到数据包并作出响应为止。

那么 TCP 是如何判断它的重传超时时间呢?

TCP 一般采用的是 自适应重传算法 ,这个超时时间会根据往返时间 RTT 动态调整的。每次客户端都会使用相同的 syn 来判断超时时间,导致这个 RTT 的结果计算的不太准确。

虽然 QUIC 没有使用 TCP 协议,但是它也保证了可靠性,QUIC 实现可靠性的机制是使用了 Packet Number ,这个序列号可以认为是 synchronize  sequence number 的替代者,这个序列号也是递增的。与 syn 所不同的是,不管服务器有没有接收到数据包,这个 Packet Number 都会 + 1,而 syn 是只有服务器发送 ack 响应之后,syn 才会 + 1。

比如有一个 PN = 10 的数据包在发送的过程中由于某些原因迟迟没到服务器,那么客户端会重传一个 PN = 11 的数据包,经过一段时间后客户端收到 PN = 10 的响应后再回送响应报文,此时的 RTT 就是 PN = 10 这个数据包在网络中的生存时间,这样计算相对比较准确。

虽然 QUIC 保证了数据包的可靠性,但是数据的可靠性是如何保证的呢?

QUIC 引入了一个 stream offset 的概念,一个 stream 可以传输多个 stream offset,每个 stream offset 其实就是一个 PN 标识的数据,即使某个 PN 标识的数据丢失,PN + 1 后,它重传的仍旧是 PN 所标识的数据,等到所有 PN 标识的数据发送到服务器,就会进行重组,以此来保证数据可靠性。到达服务器的 stream offset 会按照顺序进行组装,这同时也保证了数据的顺序性。

众所周知,TCP 协议的具体实现是由操作系统内核来完成的,应用程序只能使用,不能对内核进行修改,随着移动端和越来越多的设备接入互联网,性能逐渐成为一个非常重要的衡量指标。虽然移动网络发展非常快,但是用户端的更新却非常缓慢,我仍然看见有很多地区很多计算机还仍旧使用 xp 系统,尽管它早已发展了很多年。服务端系统不依赖用户升级,但是由于操作系统升级涉及到底层软件和运行库的更新,所以也比较保守和缓慢。

QUIC 协议的一个重要特点就是 可插拔性 ,能够动态更新和升级,QUIC 在应用层实现了拥塞控制算法,不需要操作系统和内核的支持,遇到拥塞控制算法切换时,只需要在服务器重新加载一遍即可,不需要停机和重启。

我们知道 TCP 的流量控制是通过 滑动窗口 来实现的,如果你对滑动窗口不太熟悉,你可以看下我写的这篇文章

TCP 基础知识

在文章后面有提到了滑动窗口的一些概念。

而 QUIC 也实现了流量控制,QUIC 的流量控制也是使用了窗口更新 window_update ,来告诉对端它可以接受的字节数。

TCP 协议头部没有经过加密和认证,所以在传输的过程中很可能被篡改,与之不同的是,QUIC 中的报文头部都是经过认证,报文也经过加密处理。这样只要对 QUIC 的报文有任何修改,接收端都能够及时发现,保证了安全性。

总的来说,QUIC 相比于 HTTP/2.0 来说,具有下面这些优势

  • 使用 UDP 协议,不需要三次连接进行握手,而且也会缩短 TLS 建立连接的时间。

  • 解决了队头阻塞问题

  • 实现动态可插拔,在应用层实现了拥塞控制算法,可以随时切换。

  • 报文头和报文体分别进行认证和加密处理,保障安全性。

  • 连接能够平滑迁移

连接平滑迁移指的是,你的手机或者移动设备在 4G 信号下和 WiFi 等网络情况下切换,不会断线重连,用户甚至无任何感知,能够直接实现平滑的信号切换。

QUIC 相关资料

QUIC 协议比较复杂,想自己完全实现一套对笔者来说还比较困难。

读者有兴趣的话可以先看看开源实现有哪些。

1) Chromium :https://github.com/hanpfei/chromium-net

这个是官方支持的。优点自然很多,Google 官方维护基本没有坑,随时可以跟随 chrome 更新到最新版本。不过编译 Chromium 比较麻烦,它有单独的一套编译工具。暂时不建议考虑这个方案。

2) proto-quic :https://github.com/google/proto-quic

从 chromium 剥离的一个 QUIC 协议部分,但是其 github 主页已宣布不再支持,仅作实验使用。不建议考虑这个方案。

3) goquic :https://github.com/devsisters/goquic

goquic 封装了 libquic 的 go 语言封装,而 libquic 也是从 chromium 剥离的,好几年不维护了,仅支持到 quic-36, goquic 提供一个反向代理,测试发现由于 QUIC 版本太低,最新 chrome 浏览器已无法支持。不建议考虑这个方案。

4) quic-go :https://github.com/lucas-clemente/quic-go

quic-go 是完全用 go 写的 QUIC 协议栈,开发很活跃,已在 Caddy 中使用,MIT 许可,目前看是比较好的方案。

那么,对于中小团队或个人开发者来说,比较推荐的方案是最后一个,即采用 caddy https://github.com/caddyserver/caddy/wiki/QUIC 来部署实现 QUIC。 caddy 这个项目本意并不是专门用来实现 QUIC 的,它是用来实现一个免签的 HTTPS web 服务器的(caddy 会自动续签证书)。而QUIC 只是它的一个附属功能(不过现实是——好像用它来实现 QUIC 的人更多)。

从 Github 的技术趋势来说,有关 QUIC 的开源资源越来越多,有兴趣可以自已逐一研究研究: https://github.com/search?q=quic

往期推荐 

:link:

计算机网络的 166 个核心概念

30 岁,我当了程序员。