HTTP 3.0来了，UDP取代TCP成为基础协议，TCP究竟输在哪里？

Posted 2023-03-12 linux大本营

TCP 是 Internet 上使用和部署最广泛的协议之一，多年来一直被视为网络基石，随着HTTP/3正式被标准化，QUIC协议成功“上位”，UDP“取代”TCP成为基础协议，TCP究竟“输”在哪里？

 HTTP/3 采用了谷歌多年探索的基于 UDP 的 QUIC 协议，原名叫 HTTP-over-QUIC，在 2018 年被 IETF 批准更名为 HTTP/3。目前，Cloudflare、Google Chrome、Firefox Nightly 均表示支持 HTTP/3。为什么我们需要 HTTP/3？很多人可能都会有这样一个疑问，为什么在 2015 年才标准化了 HTTP/2 ，这么快就需要 HTTP/3？事实上，我们并不是真的需要新的 HTTP 版本，而是需要对底层传输控制协议(TCP) 进行升级。

TCP与HTTP的不解之缘

HTTP（超文本传输协议 1.0）的第一个正式版本在 1996 年完成。但是HTTP/1.0 没有充分考虑分层代理、缓存、长连接的需求和虚拟主机的影响。所以在一年后HTTP/1.1发布，这也是使用最广泛的版本。在 HTTP/1.1 中, 浏览器通过 TCP 连接一次只能下载一个文件, 如果一个页面需要 10 个 js 文件, 那么这些文件将会按顺序下载。一个文件的延迟就会阻塞后面的其他内容, 也就是我们常说的队头阻塞。2015年, HTTP 协议迎来了更新, HTTP/2发布。HTTP/2 的一大特点是多路复用。引入了二进制帧和流机制，允许使用单个 TCP 连接, 通过 Stream 并行下载资源, 提高了传输效率。然而HTTP/2的多路复用技术使得多个请求其实是基于同一个TCP连接的，因此在HTTP/2中，TCP队头阻塞造成的影响会更大，如果某一个请求造成了TCP队头阻塞，那么多个请求都会受到影响。事实上，在丢包率高的环境中，HTTP/1.1 性能更好。此外，发起 HTTP 请求时，需要经过 TCP 三次握手和四次挥手的过程，整个过程共需要 3 个 RTT 的时延才能发出请求数据。如果客户端和服务器相距遥远，则每RTT可能会花费超过 100 毫秒，从而导致明显的延迟。> RTT：往返时间（Round Trip Time），指一个请求从客户端浏览器发送一个请求数据包到服务器，再从服务器得到响应数据包的这段时间。RTT 是反映网络性能的一个重要指标。

 几十年来，TCP 一直是网络的基石，但种种问题让大家不得不思考取代它的方法，这就是——QUIC，QUIC在几个关键方面与 TCP 有很大不同，直接在其上运行 HTTP/2 将非常困难。因此，HTTP/3 本身是对 HTTP/2 的一个相对较小的改编，以使其与新的 QUIC 协议兼容。

 

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什么是QUIC协议

QUIC是一种通用、安全、多路复用的传输层新型网络协议，它的目标是取代TCP。

2012年，QUIC协议由当时还在谷歌任职的Jim Roskind开发。

2013年，QUIC正式对外公布。

2015年，QUIC被提交给IETF进行标准化。

但是直到六年以后，也就是2021年5月，IETF才发布了第一版标准化的QUIC，被命名为RFC 9000。同时，IETF还发布使用了QUIC的HTTP/3标准化版本。QUIC吸纳了很多与TCP类似的属性，还有TLS加密，将它们置于UDP传输之上的应用层中。

QUIC与 TCP 非常相似，除了 HTTP 和网页加载之外，还可以将其用于许多用例。例如，DNS、SSH、SMB、RTP 等都可以在 QUIC 上运行。 

UDP+QUIC=最佳拍档

UDP 是最基本的传输协议。除了端口号（例如，HTTP 使用端口 80，HTTPS 使用 443，DNS 使用端口 53）之外，它实际上不提供任何特性。它不通过握手建立连接，也不可靠:如果UDP包丢失，它不会自动重传。UDP 的“尽力而为”方法不保证可靠性，无需等待握手，也没有 HoL 阻塞。在实践中，UDP协议主要用于实时性要求很高，但不要求完整性的应用，例如实时视频会议或者游戏等。它对于需要较低的预先延迟的情况也很有用，例如，DNS域名查找只需要一个来回就可以完成。在 UDP 之上，QUIC 结合了 TCP 数十年的部署和实践经验，能够实现几乎所有的 TCP的特性。QUIC 的传输是绝对可靠的，可以通过流量控制和拥塞控制机制来防止过载，并且以比 TCP 更智能、更高效的方式实现了这些功能。QUIC 对于TCP 的改进主要可归结为四个方面：QUIC 与 TLS 深度集成、QUIC 支持多个独立的字节流、QUIC 使用连接 ID、QUIC 使用帧（frame）。QUIC 与 TLS 深度集成

TLS（传输层安全协议）负责保护和加密通过 Internet 发送的数据。当使用 HTTPS 时，纯文本 HTTP 数据首先由 TLS 加密，然后由 TCP 传输。1.2 及更低版本的TLS通常需要两次RTT，新版本的 TLS 1.3 只需一次RTT。

 在互联网早期，加密流量在处理方面的成本很高，因此很多情况下并不是必要的。TLS 是一个完全独立的协议，可以选择是否在 TCP 之上使用，这也是区分 HTTP（没有TLS）和 HTTPS（有TLS）的原因。随着时间的推移，我们对互联网安全的态度已经转变为“默认安全”。因此QUIC的设计者选择将加密深深地嵌入到 QUIC 本身中。虽然 TLS 1.3 仍然可以在 TCP 之上独立运行，但 QUIC 封装了 TLS 1.3。换句话说，没有 TLS 就无法使用 QUIC；QUIC（以及 HTTP/3）始终是完全加密的。此外，QUIC 还加密了几乎所有的数据包头字段。这为 QUIC 提供了几个好处：

• QUIC 对用户来说更安全：QUIC没有办法明文运行，因此网络攻击者的选择也更少。
• QUIC 的连接设置更快：虽然对于 TLS-over-TCP，两种协议都需要各自单独的握手，但 QUIC 将传输和加密握手合二为一，从而节省了一次往返时间。
• QUIC 更容易更新：如果在未来想为 QUIC 添加新功能，我们只必须更新终端设备，而不是所有的中间件。

QUIC 支持多个独立的字节流

对于 HTTP/1.1，资源加载过程非常简单，因为每个文件都有自己的 TCP 连接。例如，如果我们有文件 A、B、C，我们将有三个 TCP 连接。第一个将看到 AAAA 的字节流，第二个 BBBB，第三个 CCCC（每个字母重复都是一个 TCP包）。这可行，但也非常低效，因为每个新的连接都会产生一些开销。HTTP/2 的主要目标之一就是改善这种情况。HTTP/2 协议不再为每个文件打开一个新的 TCP 连接，而是通过单个 TCP 连接下载不同的资源。这是通过多路复用不同的字节流来实现的。举例来看，同样是传输A、B、C三个文件，我们将获得一个 TCP 连接，传入的数据形式可以是 AABBCCAABBCC等。通常情况下，使用HTTP/2 跟HTTP/1.1 一样快或快一点，但开销要少得多。

 

HTTP/2的多路复用机制解决了HTTP层的队头阻塞问题，但是在TCP层仍然存在队头阻塞问题。TCP协议在收到数据包之后，这部分数据可能是乱序到达的，但是TCP必须将所有数据收集排序整合后给上层使用，如果其中某个包丢失了，就必须等待重传，从而出现某个丢包数据阻塞整个连接的数据使用。例如，HTTP 级别的 AABBCCAABBCC，在TCP 眼里它只是 XXXXXXXXXXXX ，如果此时B丢失，它不会发现到底是谁丢失，而是整个重传。解决传输层的队头阻塞是 QUIC 的主要目标之一。与 TCP 不同，QUIC 清楚地意识到它正在复用多个独立的字节流。因此，QUIC 可以在每个流的基础上执行丢包检测和恢复逻辑。在上述场景中，QUIC 只会保留 B 的数据，并且尽快将 A 和 C 的数据传递到 HTTP/3 层。

 

QUIC 使用连接 ID

一个 TCP 连接是由四元组（源 IP 地址，源端口，目标 IP 地址，目标端口）确定的，这意味着如果 IP 地址或者端口变动了，就会导致需要 TCP 与 TLS 重新握手，这不利于移动设备切换网络的场景，比如 4G 网络环境切换成 WIFI。这些问题都是 TCP 协议固有的问题。

 为了解决这个问题，QUIC 引入了一个名为连接ID（connection identifier，CID）的新概念。每个连接在 4 元组之上分配了另一个编号，该编号在两个端点之间唯一标识它。

 更重要的是，因为这个 CID 是在 QUIC 本身的传输层定义的，所以在网络之间移动时它不会改变。通过这种设置，即使 4 元组中的某一项发生了变化，QUIC 服务器和客户端只需查看 CID即可知道它是同一个旧连接，可以继续使用它。不需要重新握手，下载状态可以保持原样。这个功能通常称为连接迁移。

QUIC 使用帧（frame）

与 TCP 不同，QUIC 不使用单个固定的数据包头来发送所有协议元数据。相反，QUIC 具有短的数据包头，并在数据包有效载荷内使用各种“帧”来传达额外信息。例如，一个ACK帧（用于确认）、一个NEW_CONNECTION_ID帧（用于帮助建立连接迁移）和一个STREAM帧（用于承载数据），如下图所示。

 这主要是一种优化，因为不是每个包都携带所有可能的元数据(因此TCP包头通常会浪费相当多的字节)。使用帧还有一个好处，在未来将新帧类型定义为QUIC的扩展将非常容易。例如，一个非常重要的框架是DATAGRAMframe，它允许通过加密的 QUIC 连接发送不可靠的数据。

总 结

总的来说，QUIC相较于TCP有许多优点，但是想要真正实现全面推广也是存在一些困难的。很多企业、运营商和组织对53端口（DNS）以外的UDP流量会进行拦截或者限流（这些流量常被滥用于攻击），因此基于UDP的QUIC协议的传输可能会受到屏蔽。此外，很多中间设备对于UDP的支持和优化程度也并不高。不过，尽管还存在一些未知的困难，但HTTP/3.0的时代一定会到来的！