网络编程之一泡尿的时间，快速读懂QUIC协议

Posted 2022-02-05 大忽悠爱忽悠

网络编程之一泡尿的时间，快速读懂QUIC协议

• TCP协议到底怎么了？
• QUIC协议登场
• QUIC协议的目标
• QUIC协议这么好，可以大规模切换为QUIC吗？
• QUIC协议实践
• 我想试试QUIC协议，可以怎么做？
• • Chromium：
  • proto-quic：
  • goquic：
  • quic-go：
• 本文小结

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TCP协议到底怎么了？

现时的互联网应用中，Web平台（准确地说是基于HTTP及其延伸协议的客户端/服务器应用）的数据传输都基于 TCP 协议。

但TCP 协议在创建连接之前需要进行三次握手，如果需要提高数据交互的安全性，既增加传输层安全协议（TLS），还会增加更多的更多握手次数（如下图 2）。

TCP的三次握手原理图

TLS的初始化握手原理图

正如上面两张图里演示的原理，TCP 协议连接建立的成本相对较高。

所以，一般的稳定网络传输都是通过TCP，但是在网络基建本身就已经越来越完善的情况下，TCP设计本身的问题便暴露了出来，特别是在弱网环境下，让我们不得不考虑一些新的可能性。

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QUIC协议登场

和 TCP 相反，UDP 协议是无连接协议。客户端发出 UDP 数据包后，只能“假设”这个数据包已经被服务端接收。这样的好处是在网络传输层无需对数据包进行确认，但存在的问题就是为了确保数据传输的可靠性，应用层协议需要自己完成包传输情况的确认。

此时，QUIC 协议就登场了。

QUIC 是 Quick UDP Internet Connections 的缩写，谷歌发明的新传输协议。

与 TCP 相比，QUIC 可以减少延迟。

QUIC 协议可以在 1 到 2 个数据包（取决于连接的服务器是新的还是已知的）内，完成连接的创建（包括 TLS）（如下图3所示）。

QUIC 协议握手原理图

从表面上看：QUIC 非常类似于在 UDP 上实现的 TCP + TLS + HTTP/2。由于 TCP 是在操作系统内核和中间件固件中实现的，因此对 TCP 进行重大更改几乎是不可能的（TCP 协议栈通常由操作系统实现，如 Linux、Windows 内核或者其他移动设备操作系统。修改 TCP 协议是一项浩大的工程，因为每种设备、系统的实现都需要更新）。但是，由于 QUIC 建立在 UDP 之上，因此没有这种限制。QUIC 可以实现可靠传输，而且相比于 TCP，它的流控功能在用户空间而不在内核空间，那么使用者就不受限于 CUBIC 或是 BBR，而是可以自由选择，甚至根据应用场景自由调整优化。

QUIC 与现有 TCP + TLS + HTTP/2 方案相比，有以下几点主要特征：

1）利用缓存，显著减少连接建立时间；
2）改善拥塞控制，拥塞控制从内核空间到用户空间；
3）没有 head of line 阻塞的多路复用；
4）前向纠错，减少重传；
5）连接平滑迁移，网络状态的变更不会影响连接断线。

从图上可以看出，QUIC 底层通过 UDP 协议替代了 TCP，上层只需要一层用于和远程服务器交互的 HTTP/2 API。这是因为 QUIC 协议已经包含了多路复用和连接管理，HTTP API 只需要完成 HTTP 协议的解析即可。

有关QUIC的详解请见：《技术扫盲：新一代基于UDP的低延时网络传输层协议——QUIC详解》。

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QUIC协议的目标

QUIC 协议的主要目的，是为了整合 TCP 协议的可靠性和 UDP 协议的速度和效率。

一张图看懂QUIC协议的优势：

对于 Google 来说优化 TCP 协议是一个长期目标，QUIC 旨在创建几乎等同于 TCP 的独立连接，但有着低延迟，并对类似 SPDY 的多路复用流协议有更好的支持。 如果 QUIC 协议的特性被证明是有效的，这些特性以后可能会被迁移入后续版本的 TCP 和 TLS 协议（它们都有很长的开发周期）。

值得注意的是，虽然理论上来说，如果 QUIC 的特性被证明是有效的，这些特性以后可能会被迁移到后续版本的 TCP 协议中，但鉴于TCP协议长达几十年在互联网通信里的垄断地位，以及这么多年积累下来的沉重历史报复，想要根本性地优化或改进TCP协议，难度相当大（或许，有些事情，只能是想想而已，IPV6还喊了这么多年呢，不是一样没普及。。。）。

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QUIC协议这么好，可以大规模切换为QUIC吗？

理想和现实总是有一定的差距：虽然经过多年的推广的应用，但QUIC协议目前仍未达到大量普及的阶段，在 IETF上的QUIC 依然还是草稿，并且还存在Google QUIC与IETF QUIC两类不稳定的协定。

而且，QUIC还面临以下挑战：

1）小地方，路由封杀UDP 443端口（ 这正是QUIC 部署的端口）；
2）UDP包过多，由于QS限定，会被服务商误认为是攻击，UDP包被丢弃；
3）无论是路由器还是防火墙目前对QUIC都还没有做好准备。

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QUIC协议实践

Chrome 浏览器从 2014 年开始已经实验性的支持了 QUIC 协议。可以通过在 Chrome 浏览器中输入 chrome://net-internals/#quic 查看是否已经支持 QUIC 协议。如果还未支持，可以在 chrome://flags/#enable-quic 中进行开启。

开始 Chrome 浏览器对 QUIC 协议的支持之后，可以在 chrome://net-internals/#quic 中查看到当前浏览器的 QUIC 一些连接。当然目前只有 Google 服务才支持 QUIC 协议（如 YouTube、 Google.com）。

Google 在 2015 年的一篇博文中分享了一些关于 QUIC 协议实现的结果，这些优势在诸如 YouTube 的视频服务上更为突出：用户报告通过 QUIC 协议在观看视频的时候可以减少 30% 的重新缓冲时间。

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我想试试QUIC协议，可以怎么做？

目前支持 QUIC 协议的 web 服务只有 0.9 版本以后的 Caddy 。其他常用 web 服务如 nginx、apache 等都未开始支持。

整个 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。

所以先看看开源实现有哪些。

Chromium：

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。

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。

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。

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 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

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本文小结

QUIC 协议开创性的使用了 UDP 协议作为底层传输协议，通过各种方式减少了网络延迟。

虽然目前 QUIC 协议已经运行在一些较大的网站上，但离大范围普及还有较长的一段距离，期待 QUIC 协议规范能够成为终稿，并在除了谷歌浏览器之外的其他浏览器和应用服务器中也能够实现。