HTTP/3，从TCP到UDP。一文带你探究HTTP的“前世今生”

Posted 2021-04-26 Java架构师联盟

听到 HTTP/3 基于 UDP 协议的消息，不少人可能都跟我一样惊呆了。

我们从开始学习网络协议就一定会接触到 HTTP，而教科书或者老师一直以来说的都是“UDP 不可靠，所以 HTTP 基于 TCP 协议”，虽然偶尔会思考“UDP 与 TCP 都是比较底层的协议，用 TCP 来定义上层的 HTTP 协议，也是需要经过一系列设计和封装的，那凭什么 UDP 就不可以试试呢？”、“是成本问题？HTTP 在 TCP 之上设计的成本也不低啊，比如三次握手、四次挥手、滑动窗口等构思精妙的算法，也都是在经过无数次设计与尝试之后确定下来的。”……但是总之 HTTP 只能基于 TCP，而不能是 UDP 这一思维还是在一道道试题和一次次编程 request-response 的过程中固定在脑海里。

所以 HTTP/3 不再基于 TCP 而是采用了 UDP，这一消息还是挺让人惊讶的。

看到这里可能有人会惊讶于另一个点：什么？！HTTP 协议都发展到 v3 了？

其实目前正逐渐走向主流的 HTTP 协议是 HTTP/2，它相比于 HTTP/1，大幅度提高了性能，网站只需要升级到新版本协议就可以减少很多之前需要做的性能优化工作，当然兼容问题以及如何优雅降级是比较棘手的问题，这也应该是国内目前还不普遍使用 HTTP/2 的重要原因。

虽然 HTTP/2 带来了许多优点，但是并不代表它已经是完美的了，HTTP/3 就是为了解决 HTTP/2 所存在的一些问题而被推出来的。

本文接下来会从基础的 HTTP/1 开始讲起，从第一代协议到第三代分别针对性地介绍，试图把 HTTP 这一协议的技术发展过程以简要通俗的方式分享给读者，并让大家明白，为什么经过这么多年的发展，HTTP 协议最终竟然采用了不安全的 UDP。

一、HTTP 协议

HTTP 是 HyperText Transfer Protocol（超文本传输协议）的缩写，它是互联网上应用最为广泛的一种网络协议，所有 WWW 文件都必须遵守这个标准。

伴随着计算机网络和浏览器的诞生，HTTP 1.0/1.1 也随之而来，它建立在 TCP 协议之上，处于计算机网络中的应用层，所以 HTTP 协议的瓶颈及其优化技巧都是基于 TCP 协议本身的特性，例如 TCP 建立连接的 3 次握手和断开连接的 4 次挥手，以及每次建立连接带来的 RTT 延迟时间等。

HTTP 1.0 与 1.1 的主要区别在于长连接支持、多路复用、带宽节约与数据压缩等，相对于 HTTP/2，本文将其通称为 HTTP/1。

二、HTTP/1 的缺陷

HTTP/1 在 Web 时代迅速崛起，但是随着采用日涨，其缺陷也暴露出来。

不管是 1.0 还是 1.1 版本，HTTP/1 都主要存在以下几个方面的缺陷：

• 连接无法复用：连接无法复用会导致每次请求都经历三次握手和慢启动。三次握手在高延迟的场景下影响较明显，慢启动则对大量小文件请求影响较大（没有达到最大窗口请求就被终止）。HTTP/1.0 传输数据时，每次都需要重新建立连接，增加延迟。HTTP/1.1 虽然加入 keep-alive 可以复用一部分连接，但域名分片等情况下仍然需要建立多个 connection，耗费资源，给服务器带来性能压力。

• Head-Of-Line Blocking（HOLB，队头阻塞）：这会导致带宽无法被充分利用，以及后续健康请求被阻塞。HOLB 是指一系列包（package）因为第一个包被阻塞；当页面中需要请求很多资源的时候，HOLB 会导致在达到最大请求数量时，剩余的资源需要等待其它资源请求完成后才能发起请求。HTTP 1.0：下个请求必须在前一个请求返回后才能发出，request-response对按序发生。显然，如果某个请求长时间没有返回，那么接下来的请求就全部阻塞了。HTTP 1.1：尝试使用 pipeling 来解决，即浏览器可以一次性发出多个请求（同个域名、同一条 TCP 链接）。但 pipeling 要求返回是按序的，那么前一个请求如果很耗时（比如处理大图片），那么后面的请求即使服务器已经处理完，仍会等待前面的请求处理完才开始按序返回。所以，pipeling 只部分解决了 HOLB。

如上图所示，红色圈出来的请求就因域名链接数已超过限制，而被挂起等待了一段时间。

• 协议开销大：HTTP/1 在使用时，header 里携带的内容过大，在一定程度上增加了传输的成本，并且每次请求 header 基本不怎么变化，尤其在移动端增加用户流量。

• 安全因素：HTTP/1 在传输数据时，所有传输的内容都是明文，客户端和服务器端都无法验证对方的身份，这在一定程度上无法保证数据的安全性。

三、SPDY 协议

因为 HTTP/1 的问题，我们会引入雪碧图、将小图内联、使用多个域名等等的方式来提高性能。不过这些优化都绕开了协议本身，直到 2009 年，谷歌公开了自行研发的 SPDY 协议，它主要解决 HTTP/1.1 效率不高的问题。

直到这时，才算是正式改造了 HTTP 协议本身。SPDY 进行延迟降低、header 压缩等改进，其实践证明了这些优化的效果，也最终带来 HTTP/2 的诞生。

SPDY 协议在 Chrome 浏览器上证明可行以后，就被当作 HTTP/2 的基础，主要特性都在 HTTP/2 之中得到继承，下面我们就来讲讲这一部分内容。

四、HTTP/2

2015 年，继承于 SPDY 的 HTTP/2 协议发布了。HTTP/2 是 HTTP/1 的替代品，但它不是重写，协议中还保留着第一代的一些内容，比如 HTTP 方法、状态码与语义等都与 HTTP/1 一样。

HTTP/2 基于SPDY3，专注于性能，最大的一个目标是在用户和网站间只用一个连接。

HTTP/2 由两个规范组成：

1. Hypertext Transfer Protocol version 2 - RFC7540

2. HPACK - Header Compression for HTTP/2 - RFC7541

五、HTTP/2 特性

二进制传输

HTTP/2 采用二进制格式传输数据，而非 HTTP/1 的文本格式，二进制协议解析起来更高效。

HTTP/1 的请求和响应报文，都是由起始行、首部和实体正文（可选）组成，各部分之间以文本换行符分隔。HTTP/2 将请求和响应数据分割为更小的帧，并且它们采用二进制编码。

接下来我们介绍几个重要的概念：

• 流（stream）：流是连接中的一个虚拟信道，可以承载双向的消息；每个流都有一个唯一的整数标识符（1、2…N）

• 消息（message）：指逻辑上的 HTTP 消息，比如请求、响应等，由一或多个帧组成

• 帧（frame）：HTTP/2 通信的最小单位，每个帧包含帧首部，至少也会标识出当前帧所属的流，承载着特定类型的数据，如 HTTP 首部、负荷等

HTTP/2 中，同域名下所有通信都在单个连接上完成，该连接可以承载任意数量的双向数据流。每个数据流都以消息的形式发送，而消息又由一个或多个帧组成。多个帧之间可以乱序发送，根据帧首部的流标识可以重新组装。

多路复用

在 HTTP/2 中引入了多路复用技术。多路复用很好地解决了浏览器限制同一个域名下的请求数量的问题，同时也更容易实现全速传输，毕竟新开一个 TCP 连接都需要慢慢提升传输速度。

大家可以通过这个链接（http2.akamai.com/demo）直观感受下 HTTP/2 比 HTTP/1 到底快了多少。

在 HTTP/2 中，有了二进制分帧之后，HTTP/2 不再依赖 TCP 链接去实现多流并行了，像前边提到的，在 HTTP/2 中：

• 同域名下所有通信都在单个连接上完成

• 单个连接可以承载任意数量的双向数据流

• 数据流以消息的形式发送，而消息又由一个或多个帧组成，多个帧之间可以乱序发送，因为根据帧首部的流标识可以重新组装

这一特性，使性能有了极大提升：

• 同个域名只需要占用一个 TCP 连接，使用一个连接并行发送多个请求和响应，消除了因多个 TCP 连接而带来的延时和内存消耗

• 并行交错地发送多个请求，请求之间互不影响

• 并行交错地发送多个响应，响应之间互不干扰

• 在 HTTP/2 中，每个请求都可以带一个 31 bit 的优先值，数值越大优先级越低，0 表示最高优先级。有了这个优先值，客户端和服务器就可以在处理不同流时采取不同的策略，以最优的方式发送流、消息和帧。

如上图所示，多路复用技术可以只通过一个 TCP 连接传输所有的请求数据。

Header 压缩

在 HTTP/1 中，我们使用文本的形式传输 header，在 header 携带 cookie 的情况下，可能每次都需要重复传输几百到几千字节。

为了减少这块的资源消耗并提升性能， HTTP/2 对这些首部采取了压缩策略：

• HTTP/2 在客户端和服务器端使用“首部表”来跟踪和存储之前发送的键－值对，对于相同的数据，不再通过每次请求和响应发送

• 首部表在 HTTP/2 的连接存续期内始终存在，由客户端和服务器共同渐进地更新

• 每个新的首部键-值对要么被追加到当前表的末尾，要么替换表中之前的值

例如下图中的两个请求， 请求 1 发送了所有头部字段，第二个请求则只需要发送差异数据，这样可以减少冗余数据，降低开销：

Server Push

Server Push 即服务端能通过 push 的方式将客户端需要的内容预先推送过去，也叫“cache push”。

可以想象以下情况：某些资源客户端是一定会请求的，这时就可以采取服务端 push 的技术，提前给客户端推送必要的资源，这样就可以相对减少一点延迟时间。当然在浏览器兼容的情况下你也可以使用 prefetch。

例如服务端可以主动把 JS 和 CSS 文件推送给客户端，而不需要客户端解析 html 时再发送这些请求。

服务端可以主动推送，客户端也有权利选择是否接收。如果服务端推送的资源已经被浏览器缓存过，浏览器可以通过发送 RST_STREAM 帧来拒收。主动推送也遵守同源策略，换句话说，服务器不能随便将第三方资源推送给客户端，而必须是经过双方确认才行。

六、HTTP/3

虽然 HTTP/2 解决了很多之前旧版本的问题，但是它还是存在一个巨大的问题，主要是底层支撑的 TCP 协议造成的。

上文提到 HTTP/2 使用了多路复用，一般来说同一域名下只需要使用一个 TCP 连接。但当这个连接中出现了丢包的情况，那就会导致 HTTP/2 的表现情况反倒不如 HTTP/1 了。

因为在出现丢包的情况下，整个 TCP 都要开始等待重传，也就导致了后面的所有数据都被阻塞了。但是对于 HTTP/1.1 来说，可以开启多个 TCP 连接，出现这种情况反到只会影响其中一个连接，剩余的 TCP 连接还可以正常传输数据。

那么可能就会有人考虑到去修改 TCP 协议，其实这已经是一件不可能完成的任务了，因为 TCP 存在的时间实在太长，已经充斥在各种设备中，并且这个协议是由操作系统实现的，更新起来不大现实。

基于这个原因，Google 就自己架起炉灶搞了一个基于 UDP 协议的 QUIC 协议，并且使用在了 HTTP/3 上，HTTP/3 之前名为 HTTP-over-QUIC，从这个名字中我们也可以发现，HTTP/3 最大的改造就是使用了 QUIC。

QUIC 虽然基于 UDP，但是在原本的基础上新增了很多功能，接下来我们重点介绍几个 QUIC 功能。

QUIC 功能

• 0RTT

通过使用类似 TCP 快速打开的技术，缓存当前会话的上下文，在下次恢复会话的时候，只需要将之前的缓存传递给服务端验证通过就可以进行传输了。0RTT 建连可以说是 QUIC 相比 HTTP/2 最大的性能优势。那什么是 0RTT 建连呢？

这里面有两层含义:

1、传输层 0RTT 就能建立连接。

2、加密层 0RTT 就能建立加密连接。

因为这里考虑到安全性，我们就拿加了 TLS 的“安全的 HTTP 协议”HTTPS 来对比。上图左边是 HTTPS 的一次完全握手的建连过程，需要 3 个 RTT，就算是会话复用也需要至少 2 个 RTT。

而 QUIC 呢？由于建立在 UDP 的基础上，同时又实现了 0RTT 的安全握手，所以在大部分情况下，只需要 0 个 RTT 就能实现数据发送，在实现前向加密的基础上，并且 0RTT 的成功率相比 TLS 的会话记录单要高很多。

• 多路复用

QUIC 原生实现了多路复用功能，并且传输的单个数据流可以保证有序交付且不会影响其它数据流，这样的技术就解决了前边提到的 TCP 多路复用存在的问题。

同 HTTP/2 一样，同一个 QUIC 连接上可以创建多个 stream 来发送多个 HTTP 请求，但是，QUIC 是基于 UDP 的，因为一个连接上的多个 stream 之间没有依赖，所以不存在 HTTP/2 中的问题。比如下图中 stream2 丢了一个 UDP 包，不会影响后面跟着 Stream3 和 Stream4，不存在 TCP 队头阻塞。虽然 stream2 的那个包需要重新传，但是 stream3、stream4 的包无需等待就可以发给用户。

另外 QUIC 在移动端的表现也会比 TCP 好。因为 TCP 是基于 IP 和端口去识别连接的，这种方式在多变的移动端网络环境下是很脆弱的。而 QUIC 是通过 ID 的方式去识别一个连接，不管你网络环境如何变化，只要 ID 不变，就能迅速重连上。

• 加密认证的报文

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，比如修改序列号与滑动窗口。这些行为有可能是出于性能优化，也有可能是主动攻击。

相比之下，QUIC 的 packet 可以说是武装到了牙齿。除了个别报文比如 PUBLIC_RESET 和 CHLO，所有报文头部都是经过认证的，报文 Body 都是经过加密的。

这样只要是针对 QUIC 报文进行了任何修改，接收端都能够及时发现，有效地降低了安全风险。

如上图所示，红色部分是 Stream Frame 的报文头部，有认证；绿色部分是报文内容，全部经过加密。

• 前向纠错机制

QUIC 协议有一个非常独特的特性，称为前向纠错（Forward Error Correction，FEC），每个数据包除了它本身的内容之外，还包括了部分其它数据包的数据，因此少量的丢包可以通过其它包的冗余数据直接组装而无需重传。

前向纠错牺牲了每个数据包可以发送数据的上限，但是减少了因为丢包导致的数据重传次数。这会取得更好的效果，因为数据重传将会消耗更多的时间，包括确认数据包丢失、请求重传与等待新数据包等步骤。

假如说这次我要发送三个包，那么协议会算出这三个包的异或值并单独发出一个校验包，也就是总共发出了四个包，当出现其中的非校验包丢包的情况时，可以通过另外三个包计算出丢失的数据包的内容。当然这种技术只能使用在丢失一个包的情况下，如果出现丢失多个包就不能使用纠错机制了，只能使用重传的方式了。

七、总结

• HTTP/1 有连接无法复用、队头阻塞、协议开销大和安全因素等多个缺陷

• HTTP/2 通过多路复用、二进制流与 Header 压缩等技术，极大地提高了性能，但是还是存在一些问题

• HTTP/3 抛弃 TCP 协议，以全新的视角重新设计 HTTP。其底层支撑是 QUIC 协议，该协议基于 UDP，有 UDP 特有的优势，同时它又取了 TCP 中的精华，实现了即快又可靠的协议

从 HTTP/1 到 HTTP/3，HTTP 协议经过不断进化，性能越来越高，在这个过程中，底层协议甚至从 TCP 改为了之前被认定为不适合 UDP，这其中不断探索的设计思想值得学习。虽然本文是简单的介绍，但已经把这一演进过程简单地总结了出来，希望读者能够有所收获。

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来源：https://my.oschina.net/editorial-story/blog/3031721