今天给大家介绍一个网络协议——QUIC协议

业内某一位大牛曾这样说过：

“如果你的 App，在不需要任何修改的情况下就能提升 15% 以上的访问速度。特别是弱网络的时候能够提升 20% 以上的访问速度”

“如果你的 App，在频繁切换 4G 和 WIFI 网络的情况下，不会断线，不需要重连，用户无任何感知。如果你的 App，既需要 TLS 的安全，也想实现 HTTP2 多路复用的强大”

“如果你刚刚才听说 HTTP2 是下一代互联网协议，如果你刚刚才关注到 TLS1.3 是一个革命性具有里程碑意义的协议，但是这两个协议却一直在被另一个更新兴的协议所影响和挑战”

“如果这个新兴的协议，它的名字就叫做“快”，并且正在标准化为新一代的互联网传输协议”

你愿意花一点点时间了解这个协议吗？你愿意投入精力去研究这个协议吗？你愿意全力推动业务来使用这个协议吗？

我从这个名字里看到两个关键词——快速、UDP

关键词1——快速：QUIC协议比TCP更简单，而且能够更快速的建立连接。除此之外，安全性可以与TCP+TLS匹敌

关键词2——UDP：QUIC协议是一种新型传输协议，建立在UDP协议之上，一般将它放在应用层

2018年，基于QUIC的HTTP（HTTP over QUIC）——HTTP/3，正式被确定为下一代网络规范

QUIC协议架构

从图中我们可以看出：

• TCP、UDP、IP都是在内核实现的，想要修改或者扩充的话是比较麻烦的
• QUIC在用户级实现，而不是系统内核级，所以无需改变操作系统和中间设备，就能轻松实现和部署

QUIC协议的一些术语

我们来看一下在QUIC协议中的一些术语，方便我们后期深入了解QUIC

QUCI连接：Client和Server之间的通信关心，Client发起连接，Server接受连接

流（Stream）：一个QUIC连接内，单向或者双向的有序字节流。一个QUIC连接可以同时包含多个Stream

帧（Frame）：QUIC连接内的最小通信单元。一个QUIC数据包（packet）中的数据部分包含一个或多个帧

在简单了解什么是QUIC协议之后，小伙伴们有没有想过，为什么要使用QUIC作为新一代互联网协议的代表呢？

而这些古老的网络协议在面对发展如此快速的环境下，显得有些力不从心

问题一：一些中间设备僵化

可能是 TCP 协议使用得太久，也非常可靠。所以我们很多中间设备，包括防火墙、NAT 网关，整流器等出现了一些约定俗成的动作

比如有些防火墙只允许通过 80 和 443，不放通其他端口。NAT 网关在转换网络地址时重写传输层的头部，有可能导致双方无法使用新的传输格式。整流器和中间代理有时候出于安全的需要，会删除一些它们不认识的选项字段

TCP 协议本来是支持端口、选项及特性的增加和修改。但是由于 TCP 协议和知名端口及选项使用的历史太悠久，中间设备已经依赖于这些潜规则，所以对这些内容的修改很容易遭到中间环节的干扰而失败

问题二：依赖于操作系统的实现，导致协议本身僵化

TCP 是由操作系统在内核层面实现的，应用程序只能使用，不能直接修改。

虽然应用程序的更新迭代非常快速和简单。但是 TCP 的迭代却非常缓慢，很大一部分原因就是操作系统升级很麻烦，修改内核起来特别麻烦，这样就会导致协议本身僵化

问题三：建立连接过程延迟大

不管是 HTTP1.0/1.1 还是 HTTPS，HTTP2，都使用了 TCP 进行传输。HTTPS 和 HTTP2 还需要使用 TLS 协议来进行安全传输。这就出现了两个握手延迟：

• TCP 三次握手导致的 TCP 连接建立的延迟
• TLS 完全握手需要至少 2 个 RTT 才能建立，简化握手需要 1 个 RTT 的握手延迟
• 对于很多短连接场景，这样的握手延迟影响很大，且无法消除

问题四：队头阻塞难以解决

在HPPT/2中，会出现队头阻塞问题

对于HTTP2来讲，一个TCP连接中有多个stream，而且每个stream之间是有依赖性的，如果丢失其中一个stream的数据，会阻塞后续的stream

TCP确保将数据按顺序上交应用层，在出现数据报文段丢失时，后续数据必须缓存，等待丢失的报文端重传到达之后再按顺序上交

这样的话就会使得页面加载时间长，用户的使用体验较差

功能1：流复用

在一个网页里面总是会有多个数据要传输，我们总是希望多个数据能够同时传输，以此来提高用户的体验

在HTTP1.1中：

• 每个TCP连接同时只能处理一个请求—响应，为了提高响应速度，需要同时创建多个连接，但是多个连接管理比较复杂

在HTTP/2中：

• 每个TCP连接里面有多个逻辑上独立的多个流（stream）

• 每个流可以传输不同的文件数据

• 解决了HTTP1一个连接无法同时传输多个数据的问题

• 缺点：容易出现队头阻塞问题

而在基于QUIC的HTTP3中：

• 借鉴了HTTP2中流的概念

• 流之间互相独立，即不同流之间的数据之间交付顺序无关（如果stream2的数据丢失，只会影响排在stream2后面的数据，stream1和stream2的数据不会被影响）

• 建立在UDP之上，没有依赖性

功能2：连接建立低时延

QUIC连接建立所需时间比TCP更低

在客户端与服务端的首次QUIC连接中，Client 向 Server 发送消息——>请求传输配置参数和加密相关参数——>Server 回复其配置参数——>传输数据

整个过程只需要1RTT

TCP+TLS1.2 中：TCP三次握手建立连接，1RTT——>TLS需要两个个RTT完成身份验证——>传输数据

整个过程只需要3RTT

TCP+TLS1.3 中：TCP三次握手建立连接，1RTT——>TLS需要一个RTT完成身份验证——>传输数据

整个过程只需要2RTT

由此可见，首次连接中，使QUIC连接所需的时延是最少的

关于再次连接的概念，我先说明一点：Client已经访问过Server，在本地存放了Cookie

在客户端与服务端的再次QUIC连接中，只需0RTT。因为 Client 本地已有 Server 的全部配置参数（缓存）,据此计算出初始密钥，直接发送加密的数据包

TCP+TLS1.2 中：TCP三次握手建立连接，1RTT——>TLS需要一个RTT完成身份验证（由于缓存的存在，减少1RTT）——>传输数据

整个过程只需要2RTT

TCP+TLS1.3 中：TCP三次握手建立连接，1RTT——>传输数据

整个过程只需要1RTT

我们不难发现：无论是首次连接还是再次连接，使用QUIC协议所需的连接时延都是最低的

功能3：无队头阻塞

在上面我们讲到，HTTP/2会出现队头阻塞问题，而在基于QUIC的HTTP/3中则很好地解决了这一问题

• UDP中的各个数据报独立，基于UDP的QUIC中的各个stream独立

• 即使stream2里有一个包丢失，因为stream之间互相独立无关联，所以不会阻塞stream3、stream4，依然可以交付给上层

功能4：灵活的拥塞控制机制

TCP 的拥塞控制实际上包含了四个算法：慢启动，拥塞避免，快速重传，快速恢复

而在QUIC中，拥塞控制算法默认使用CUBIC

并且这个机制还是可插拔的，什么叫可插拔呢？就是能够非常灵活地生效，变更和停止，可以根据场景来切换不同的方法

因为QUIC在用户空间实现，容易实现。应用程序不需要停机和升级就能实现拥塞控制的变更，我们在服务端只需要修改一下配置，reload 一下，完全不需要停止服务就能实现拥塞控制的切换

而TCP在内核态，其拥塞控制难以进行修改和升级

功能5：流级和连接级流量控制

在QUIC中，可以实现流级和连接级别的流量控制机制

连接级流量控制：针对整个连接

1、通过 window_update 帧告诉对端自己可以接收的字节数，这样发送方就不会发送超过这个数量的数据

2、通过 BlockFrame 告诉对端由于流量控制被阻塞了，无法发送数据

流级流量控制

1、防止一个流消耗过多缓存而导致其他流堵塞

2、每个流会有一个可用窗口，如果一个流的可用窗口不足的话它就必须等待，而不是去占用其他流的可用窗口

3、不让一个流影响到其他流

功能6：连接迁移

我们在日常生活中肯定会经常碰到下面这个场景：

使用WIFI上网的时候突然网络不好，于是切换成移动数据模式；又或者没有流量上不了网，于是连接WIFI

我们使用手机在 WIFI 和 4G 移动网络切换时，客户端的 IP 肯定会发生变化，需要重新建立和服务端的 TCP 连接

而如果是QUIC连接，则无需重新建立，因为QUIC连接是以一个64位的随机数作为ID（connection ID）

IP地址或者端口号发生变化时，只要ID不变，依然能够维持原有连接，上层业务逻辑感知不到变化，不会中断

功能6：数据包头和包内数据的身份认证和加密

在TCP协议中，TCP 协议头部没有经过任何加密和认证，所以在传输过程中很容易被中间网络设备篡改，注入和窃听。比如修改序列号、滑动窗口。这些行为有可能是出于性能优化，也有可能是主动攻击

而相比于TCP，QUIC的安全性是内置的，也就是说是必须的

在恶意环境下性能与TLS类似，友好环境下优于TLS，因为TLS使用一个会话密钥，如果这个密钥被截获的话就不能保证之前数据的安全性

而QUIC使用两个密钥——初始密钥和会话密钥，并且QUIC提供密码保护，TLS不提供

除此之外，QUIC的包头经过身份认证，包内数据是加密的。这样如果QUIC数据被恶意修改的话接收端是可以发现的，降低了安全风险

而且数据加密之后，可以通过像防火墙或者nat这些中间件

其他

此外，QUIC 还能实现前向冗余纠错，在重要的包比如握手消息发生丢失时，能够根据冗余信息还原出握手消息。

QUIC 还能实现证书压缩，减少证书传输量，针对包头进行验证等

篇幅有限，就不再过多介绍啦，有兴趣的可以自行研究