HTTP3势头这么猛，它的优势在哪里？

发表于 1年以前 | 总阅读数：735 次

HTTP 历史

1991 HTTP/1.1
2009 Google 设计了基于TCP的SPDY
2013 QUIC
2015 HTTP/2
2018 HTTP/3

HTTP3是在保持QUIC稳定性的同时使用UDP来实现高速度，同时又不会牺牲TLS的安全性。

QUIC 协议概览

QUIC(Quick UDP Internet Connections，快速UDP网络连接)是基于UDP的协议，利用了UDP的速度和效率，同时整合TCP、TLS和HTTP/2的优点并加以优化。用一张图可以清晰的表示他们之间的关系：

QUIC是用来替代TCP、SSL/TLS的传输层协议，在传输层之上还有应用层。我们熟知的应用层协议有HTTP、FTP、IMAP等，这些协议理论上都可以运行在QUIC上，其中运行在QUIC之上的协议被称为HTTP/3，这就是 HTTP over QUIC 即HTTP/3的含义。

因此想要了解HTTP/3， QUIC是绕不过去的，下面是几个重要的QUIC特性。

0 RTT建立连接

RTT: round-trip time，仅包括请求访问来回的时间

HTTP/2的连接建立需要3 RTT，如果考虑会话复用，即把第一次握手计算出来的对称密钥缓存起来，那也需要2 RTT。更进一步的，如果TLS升级到1.3，那么HTTP/2连接需要2RTT，考虑会话复用需要1RTT。如果HTTP/2不急于HTTPS，则可以简化，但实际上几乎所有浏览器的设计都要求HTTP/2需要基于HTTPS。

HTTP/3首次连接只需要1RTT，后面的链接只需要0RTT，意味着客户端发送给服务端的第一个包就带有请求数据，其主要连接过程如下：

首次连接，客户端发送Inchoate Client Hello，用于请求连接。
服务端生成g、p、a，根据g、p、a算出A，然后将g、p、A放到Server Config中再发送Rejection消息给客户端。
客户端接收到g、p、A后、自己再生成b，根据g、p、a算出B，根据A、p、b算出初始密钥K、B和K算好后，客户端会用K加密HTTP数据，连同B一起发送给服务端。
服务端接收到B后，根据a、p、B生成与客户端同样的密钥，再用这密钥解密收到的HTTP数据。为了进一步的安全(前向安全性)，服务端会更新自己的随机数a和公钥，再生成新的密钥S，然后把公钥通过Server Hello发送给客户端。连同Server Hello消息，还有HTTP返回数据。

这里使用DH密钥交换算法，DH算法的核心就是服务端生成a、g、p 3个随机数，a自己持有，g和p要传输给客户端，而客户端会生成b这1个随机数，通过DH算法客户端和服务端可以算出同样的密钥。在这过程中a和b并不参与网络传输，安全性大大提升。因为p和g是大数，所以即使在网络传输中p、g、A、B都被劫持，靠现在的算力也无法破解。

连接迁移

TCP连接基于四元组(源IP、源端口、目的IP、目的端口)，切换网络时至少会有一个因素发生变化，导致连接发送变化。当连接发送变化时，如果还是用原来的TCP连接则会导致连接失败，就得等到原来的连接超时后重新建立连接，所以我们有时候发现切换到一个新的网络时，即使网络状况良好，但是内容还是需要加载很久。如果实现得好，当检测到网络变化时，立即建立新的TCP连接，即使这样，建立新的连接还是需要几百毫秒时间。

QUIC不受四元组的影响，当这四个元素发生变化时，原连接依然维持。原理如下：

QUIC不以四元素作为表示，而是使用一个64位的随机数，这个随机数被称为Connection ID，即使IP或者端口发生变化，只要Connection ID没有变化，那么连接依然可以维持。

队头阻塞/多路复用

HTTP/1.1和HTTP/2都存在队头阻塞的问题(Head Of Line blocking)。

TCP是个面向连接的协议，即发送请求后需要收到ACK消息，以确认对象已接收数据。如果每次请求都要在收到上次请求的ACK消息后再请求，那么效率无疑很低。后来HTTP/1.1提出了Pipeline技术，允许一个TCP连接同时发送多个请求。这样就提升了传输效率：

在这样的背景下，队头阻塞发生了。比如一个TCP连接同时传输10个请求，其中1,2,3个请求给客户端接收，但是第四个请求丢失，那么后面第5-10个请求都被阻塞。需要等第四个请求处理完毕后才能被处理，这样就浪费了带宽资源。

因此，HTTP一般又允许每个主机建立6个TCP连接，这样可以更加充分的利用带宽资源，但每个连接中队头阻塞的问题还是存在的。

HTTP/2的多路复用解决了上述的队头阻塞问题。在HTTP/2中，每个请求都被拆分为多个Frame通过一条TCP连接同时被传输，这样即使一个请求被阻塞，也不会影响其他的请求。

但是，HTTP/2虽然可以解决请求这一粒度下的阻塞，但HTTP/2的基础TCP协议本身却也存在队头阻塞的问题。HTTP/2的每个请求都会被拆分成多个Frame，不同请求的Frame组合成Stream，Stream是TCP上的逻辑传输单元，这样HTTP/2就达到了一条连接同时发送多个请求的目标，其中Stram1已经正确送达，Stram2中的第三个Frame丢失。

TCP处理数据是有严格的前后顺序，先发送的Frame要先被处理，这样就会要求发送方重新发送第三个Frame，Steam3和Steam4虽然已到达但却不能被处理，那么这时整条链路都会被阻塞。

不仅如此，由于HTTP/2必须使用HTTPS，而HTTPS使用TLS协议也存在队头阻塞问题。TLS基于Record组织数据，将一对数据放在一起加密，加密完成后又拆分成多个TCP包传输。一般每个Record 16K，包含12个TCP包，这样如果12个TCP包中有任何一个包丢失，那么整个Record都无法解密。

队头阻塞会导致HTTP/2在更容易丢包的弱网络环境下比HTTP/1.1更慢。

QUIC是如何解决队头阻塞的问题的？主要有两点：

QUIC的传输单位是Packet，加密单元也是Packet，整个加密、传输、解密都基于Packet，这就能避免TLS的阻塞问题。
QUIC基于UDP，UDP的数据包在接收端没有处理顺序，即使中间丢失一个包，也不会阻塞整条连接，其他的资源会被正常处理。

拥塞控制

拥塞控制的目的是避免过多的数据一下子涌入网络，导致网络超出最大负荷。QUIC的拥塞控制与TCP类似，并在此基础上做了改进。先来看看TCP的拥塞控制：

慢启动: 发送方向接收方发送一个单位的数据，收到确认后发送2个单位，然后是4个，8个依次指数增长，这个过程中不断试探网络的拥塞程度。
避免拥塞: 指数增长到某个限制之后，指数增长变为线性增长。
快速重传: 发送方每一次发送都会设置一个超时计时器，超时后认为丢失，需要重发。
快速恢复: 在上面快速重传的基础上，发送方重新发送数据时，也会启动一个超时定时器，如果收到确认消息则进入拥塞避免阶段，如果仍然超时，则回到慢启动阶段。

QUIC重新实现了TCP协议中的Cubic算法进行拥塞控制，下面是QUIC改进的拥塞控制的特性：

1. 热插拔

TCP中如果要修改拥塞控制策略，需要在系统层面进行操作，QUIC修改拥塞控制策略只需要在应用层操作，并且QUIC会根据不同的网络环境，用户来动态选择拥塞控制算法。

2. 前向纠错 FEC

QUIC使用前向纠错(FEC，Forword Error Correction)技术增加协议的容错性。一段数据被切分为10个包后，一次对每个包进行异或运算，运算结果会作为FEC包与数据包一起被传输，如果传输过程中有一个数据包丢失，那么就可以根据剩余9个包以及FEC包推算出丢失的那个包的数据，这样就大大增加了协议的容错性。

这是符合现阶段网络传输技术的一种方案，现阶段带宽已经不是网络传输的瓶颈，往返时间才是，所以新的网络传输协议可以适当增加数据冗余，减少重传操作。

3. 单调递增的Packer Number

TCP为了保证可靠性，使用Sequence Number和ACK来确认消息是否有序到达，但这样的设计存在缺陷。

超时发生后客户端发起重传，后来接受到了ACK确认消息，但因为原始请求和重传请求接受到的ACK消息一样，所以客户端就不知道这个ACK对应的是原始请求还是重传请求，这就会造成歧义。

RTT: Round Trip Time，往返事件
RTO: Retransmission Timeout，超时重传时间

如果客户端认为是重传的ACK，但实际上是右图的情形，会导致RTT偏小，反之会导致RTT偏大。

QUCI解决了上面的的歧义问题，与Sequence Number不同，acket Number严格单调递增，如果Packet N丢失了，那么重传时Packet的标识就不会是N，而是比N大的数字，比如N+M，这样发送方接收到确认消息时，就能方便的知道ACK对应的原始请求还是重传请求。

4. ACK Delay

TCP计算RTT时没有考虑接收方接收到数据发送方确认消息之间的延迟，如下图所示，这段延迟即ACK Delay。QUIC考虑了这段延迟，使得RTT的计算更加准确。

5. 更多的ACK块

一般来说，接收方收到发送方的消息后都应该发送一个ACK恢复，表示收到了数据。但每收到一个数据就返回一个ACK恢复实在太麻烦，所以一般不会立即回复，而是接收到多个数据后再回复，TCP SACK最多提供3个ACK block，但在有些场景下，比如下载，只需要服务器返回数据就好。但按照TCP的设计，每收到三个数据包就要返回一个ACK，而QUIC最多可以捎带256个ACK block，在丢包率比较严重的网络下，更多的ACK可以减少重传量，提升网络效率。

浏览控制

TCP 会对每个TCP连接进行流量控制，流量控制的意思是让发送方不要发送太快，要让接收方来得及接收，不然会导致数据溢出而丢失，TCP的流量控制主要通过滑动窗口来实现的。可以看到，拥塞控制主要是控制发送方的发送策略，但没有考虑接收方的接收能力，流量控制是对部分能力的补齐。

QUIC只需要建立一条连接，在这条连接上同时传输多条Stream，好比有一条道路，流量都分别有一个仓库，道路中有很多车辆运送物资。QUIC的流量控制有两个级别: 连接级别(Connection Level)和Stream 级别(Stream Level)。

对于单条的Stream的流量控制: Stream还没传输数据时，接收窗口(flow control recevice window)就是最大接收窗口，随着接收方接收到数据后，接收窗口不断缩小。在接收到的数据中，有的数据已被处理，而有的数据还没来得及处理。如下图，蓝色块表示已处理数据，黄色块表示未被处理数据，这部分数据的到来，使得Stream的接收窗口缩小。

随着数据不断被处理，接收方就有能力处理更多数据。当满足(flow control receivce offset - consumed bytes) < (max receive window/2)时，接收方会发送WINDOW_UPDATE frame告诉发送方你可以再多发送数据，这时候flow control receive offset就会偏移，接收窗口增大，发送方可以发送更多数据到接收方。