20 張圖解，為什么 HTTP3.0 使用 UDP 協(xié)議？
1. 大白和小林
生活不止眼前的茍且，還有詩(shī)和遠(yuǎn)方的田野。
新的一周又開始了，大白和小林是同事，平時(shí)倆人一起喝酒吃肉打游戲居多，當(dāng)然有時(shí)候也討論下學(xué)術(shù)和前沿技術(shù)。
這不，小林聽說(shuō)了個(gè)新鮮玩意，然后和大白聊了起來(lái)：
小林：大白大白，聽說(shuō)HTTP協(xié)議已經(jīng)到3.0了？
大白：是的，已經(jīng)到3.0了，甚至我還要告訴你它還是基于UDP開發(fā)的！
小林：UDP?沒搞錯(cuò)吧?!UDP可是不靠譜代言人啊，TCP不香了嗎？
大白：千真萬(wàn)確，而且已經(jīng)跑起來(lái)效果不錯(cuò)，正在推廣呢，據(jù)說(shuō)Chrome金絲雀版本已經(jīng)支持了，可以搶鮮試用。
小林：害！我這個(gè)憨憨HTTP2.0還沒整明白，3.0就來(lái)了，快快快，給俺講講這個(gè)黑科技。
小林是個(gè)爽快人，許諾大白給他講清楚了，周五就請(qǐng)一頓木屋燒烤，再小酌幾杯，放松一下。
大白看在小林對(duì)知識(shí)的渴求和燒烤的份上，決定給小林講講HTTP3.0和QUIC協(xié)議那些事。
通過(guò)本文你將了解到以下內(nèi)容：
HTTP2.0和TCP存在的一些問題
QUIC協(xié)議為什么選擇UDP
QUIC協(xié)議的重要特性
HTTP3.0和QUIC協(xié)議的前景和應(yīng)用效果
2.HTTP2.0和HTTP3.0
科技永不止步。
我們都知道互聯(lián)網(wǎng)中業(yè)務(wù)是不斷迭代前進(jìn)的，像HTTP這種重要的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也是如此，新版本是對(duì)舊版本的揚(yáng)棄。
2.1 HTTP2.0和TCP的愛恨糾葛
HTTP2.0是2015年推出的，還是比較年輕的，其重要的二進(jìn)制分幀協(xié)議、多路復(fù)用、頭部壓縮、服務(wù)端推送等重要優(yōu)化使HTTP協(xié)議真正上了一個(gè)新臺(tái)階。
像谷歌這種重要的公司并沒有滿足于此，而且想繼續(xù)提升HTTP的性能，花最少的時(shí)間和資源獲取極致體驗(yàn)。
那么肯定要問HTTP2.0雖然性能已經(jīng)不錯(cuò)了，還有什么不足嗎？
建立連接時(shí)間長(zhǎng)(本質(zhì)上是TCP的問題) 隊(duì)頭阻塞問題 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域表現(xiàn)不佳(弱網(wǎng)環(huán)境) ......
熟悉HTTP2.0協(xié)議的同學(xué)應(yīng)該知道，這些缺點(diǎn)基本都是由于TCP協(xié)議引起的，水能載舟亦能覆舟，其實(shí)TCP也很無(wú)辜呀！
在我們眼里，TCP是面向連接、可靠的傳輸層協(xié)議，當(dāng)前幾乎所有重要的協(xié)議和應(yīng)用都是基于TCP來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的改變速度很快，但是TCP協(xié)議相對(duì)緩慢，正是這種矛盾促使谷歌做出了一個(gè)看似出乎意料的決定-基于UDP來(lái)開發(fā)新一代HTTP協(xié)議。
2.2 谷歌為什么選擇UDP
上文提到，谷歌選擇UDP是看似出乎意料的，仔細(xì)想一想其實(shí)很有道理。
我們單純地看看TCP協(xié)議的不足和UDP的一些優(yōu)點(diǎn)：
基于TCP開發(fā)的設(shè)備和協(xié)議非常多，兼容困難 TCP協(xié)議棧是Linux內(nèi)部的重要部分，修改和升級(jí)成本很大 UDP本身是無(wú)連接的、沒有建鏈和拆鏈成本 UDP的數(shù)據(jù)包無(wú)隊(duì)頭阻塞問題 UDP改造成本小
從上面的對(duì)比可以知道，谷歌要想從TCP上進(jìn)行改造升級(jí)絕非易事，但是UDP雖然沒有TCP為了保證可靠連接而引發(fā)的問題，但是UDP本身不可靠，又不能直接用。
綜合而知，谷歌決定在UDP基礎(chǔ)上改造一個(gè)具備TCP協(xié)議優(yōu)點(diǎn)的新協(xié)議也就順理成章了，這個(gè)新協(xié)議就是QUIC協(xié)議。
2.3 QUIC協(xié)議和HTTP3.0
QUIC其實(shí)是Quick UDP Internet Connections的縮寫，直譯為快速UDP互聯(lián)網(wǎng)連接。
我們來(lái)看看維基百科對(duì)于QUIC協(xié)議的一些介紹：
QUIC協(xié)議最初由Google的Jim Roskind設(shè)計(jì)，實(shí)施并于2012年部署，在2013年隨著實(shí)驗(yàn)的擴(kuò)大而公開宣布，并向IETF進(jìn)行了描述。
QUIC提高了當(dāng)前正在使用TCP的面向連接的Web應(yīng)用程序的性能。它在兩個(gè)端點(diǎn)之間使用用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）建立多個(gè)復(fù)用連接來(lái)實(shí)現(xiàn)此目的。
QUIC的次要目標(biāo)包括減少連接和傳輸延遲，在每個(gè)方向進(jìn)行帶寬估計(jì)以避免擁塞。它還將擁塞控制算法移動(dòng)到用戶空間，而不是內(nèi)核空間，此外使用前向糾錯(cuò)（FEC）進(jìn)行擴(kuò)展，以在出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)進(jìn)一步提高性能。
HTTP3.0又稱為HTTP Over QUIC，其棄用TCP協(xié)議，改為使用基于UDP協(xié)議的QUIC協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)。
3. QUIC協(xié)議詳解
擇其善者而從之，其不善者而改之。
HTTP3.0既然選擇了QUIC協(xié)議，也就意味著HTTP3.0基本繼承了HTTP2.0的強(qiáng)大功能，并且進(jìn)一步解決了HTTP2.0存在的一些問題，同時(shí)必然引入了新的問題。
QUIC協(xié)議必須要實(shí)現(xiàn)HTTP2.0在TCP協(xié)議上的重要功能，同時(shí)解決遺留問題，我們來(lái)看看QUIC是如何實(shí)現(xiàn)的。
3.1 隊(duì)頭阻塞問題
隊(duì)頭阻塞 Head-of-line blocking（縮寫為HOL blocking）是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中是一種性能受限的現(xiàn)象，通俗來(lái)說(shuō)就是：一個(gè)數(shù)據(jù)包影響了一堆數(shù)據(jù)包，它不來(lái)大家都走不了。
隊(duì)頭阻塞問題可能存在于HTTP層和TCP層，在HTTP1.x時(shí)兩個(gè)層次都存在該問題。
HTTP2.0協(xié)議的多路復(fù)用機(jī)制解決了HTTP層的隊(duì)頭阻塞問題，但是在TCP層仍然存在隊(duì)頭阻塞問題。
TCP協(xié)議在收到數(shù)據(jù)包之后，這部分?jǐn)?shù)據(jù)可能是亂序到達(dá)的，但是TCP必須將所有數(shù)據(jù)收集排序整合后給上層使用，如果其中某個(gè)包丟失了，就必須等待重傳，從而出現(xiàn)某個(gè)丟包數(shù)據(jù)阻塞整個(gè)連接的數(shù)據(jù)使用。
QUIC協(xié)議是基于UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的，在一條鏈接上可以有多個(gè)流，流與流之間是互不影響的，當(dāng)一個(gè)流出現(xiàn)丟包影響范圍非常小，從而解決隊(duì)頭阻塞問題。
3.2 0RTT 建鏈
衡量網(wǎng)絡(luò)建鏈的常用指標(biāo)是RTT Round-Trip Time，也就是數(shù)據(jù)包一來(lái)一回的時(shí)間消耗。
RTT包括三部分：往返傳播時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)排隊(duì)時(shí)延、應(yīng)用程序數(shù)據(jù)處理時(shí)延。
一般來(lái)說(shuō)HTTPS協(xié)議要建立完整鏈接包括:TCP握手和TLS握手，總計(jì)需要至少2-3個(gè)RTT，普通的HTTP協(xié)議也需要至少1個(gè)RTT才可以完成握手。
然而，QUIC協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)在第一個(gè)包就可以包含有效的應(yīng)用數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)0RTT，但這也是有條件的。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，基于TCP協(xié)議和TLS協(xié)議的HTTP2.0在真正發(fā)送數(shù)據(jù)包之前需要花費(fèi)一些時(shí)間來(lái)完成握手和加密協(xié)商，完成之后才可以真正傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。
但是QUIC則第一個(gè)數(shù)據(jù)包就可以發(fā)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，從而在連接延時(shí)有很大優(yōu)勢(shì)，可以節(jié)約數(shù)百毫秒的時(shí)間。
QUIC的0RTT也是需要條件的，對(duì)于第一次交互的客戶端和服務(wù)端0RTT也是做不到的，畢竟雙方完全陌生。
因此，QUIC協(xié)議可以分為首次連接和非首次連接，兩種情況進(jìn)行討論。
3.3 首次連接和非首次連接
使用QUIC協(xié)議的客戶端和服務(wù)端要使用1RTT進(jìn)行密鑰交換，使用的交換算法是DH(Diffie-Hellman)迪菲-赫爾曼算法。
DH算法開辟了密鑰交換的新思路，在之前的文章中提到的RSA算法也是基于這種思想實(shí)現(xiàn)的，但是DH算法和RSA的密鑰交換不完全一樣，感興趣的讀者可以看看DH算法的數(shù)學(xué)原理。
DH算法開辟了密鑰交換的新思路，在之前的文章中提到的RSA算法也是基于這種思想實(shí)現(xiàn)的，但是DH算法和RSA的密鑰交換不完全一樣，感興趣的讀者可以看看DH算法的數(shù)學(xué)原理。
3.3.1 首次連接
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)一下，首次連接時(shí)客戶端和服務(wù)端的密鑰協(xié)商和數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，其中涉及了DH算法的基本過(guò)程：
客戶端對(duì)于首次連接的服務(wù)端先發(fā)送client hello請(qǐng)求。
服務(wù)端生成一個(gè)素?cái)?shù)p和一個(gè)整數(shù)g，同時(shí)生成一個(gè)隨機(jī)數(shù) (筆誤-此處應(yīng)該是Ks_pri)為私鑰，然后計(jì)算出公鑰 = mod p，服務(wù)端將，p，g三個(gè)元素打包稱為config，后續(xù)發(fā)送給客戶端。
客戶端隨機(jī)生成一個(gè)自己的私鑰，再?gòu)腸onfig中讀取g和p，計(jì)算客戶端公鑰 = mod p。
客戶端使用自己的私鑰和服務(wù)端發(fā)來(lái)的config中讀取的服務(wù)端公鑰，生成后續(xù)數(shù)據(jù)加密用的密鑰K = mod p。
客戶端使用密鑰K加密業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并追加自己的公鑰，都傳遞給服務(wù)端。
服務(wù)端根據(jù)自己的私鑰和客戶端公鑰生成客戶端加密用的密鑰K = mod p。
為了保證數(shù)據(jù)安全，上述生成的密鑰K只會(huì)生成使用1次，后續(xù)服務(wù)端會(huì)按照相同的規(guī)則生成一套全新的公鑰和私鑰，并使用這組公私鑰生成新的密鑰M。
服務(wù)端將新公鑰和新密鑰M加密的數(shù)據(jù)發(fā)給客戶端，客戶端根據(jù)新的服務(wù)端公鑰和自己原來(lái)的私鑰計(jì)算出本次的密鑰M，進(jìn)行解密。
之后的客戶端和服務(wù)端數(shù)據(jù)交互都使用密鑰M來(lái)完成，密鑰K只使用1次。
3.3.2 非首次連接
前面提到客戶端和服務(wù)端首次連接時(shí)服務(wù)端傳遞了config包，里面包含了服務(wù)端公鑰和兩個(gè)隨機(jī)數(shù)，客戶端會(huì)將config存儲(chǔ)下來(lái)，后續(xù)再連接時(shí)可以直接使用，從而跳過(guò)這個(gè)1RTT，實(shí)現(xiàn)0RTT的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)交互。
客戶端保存config是有時(shí)間期限的，在config失效之后仍然需要進(jìn)行首次連接時(shí)的密鑰交換。
3.4 前向安全問題
前向安全是密碼學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)術(shù)語(yǔ)，看下百度上的解釋：
前向安全或前向保密Forward Secrecy是密碼學(xué)中通訊協(xié)議的安全屬性，指的是長(zhǎng)期使用的主密鑰泄漏不會(huì)導(dǎo)致過(guò)去的會(huì)話密鑰泄漏。
前向安全能夠保護(hù)過(guò)去進(jìn)行的通訊不受密碼或密鑰在未來(lái)暴露的威脅，如果系統(tǒng)具有前向安全性，就可以保證在主密鑰泄露時(shí)歷史通訊的安全，即使系統(tǒng)遭到主動(dòng)攻擊也是如此。
通俗來(lái)說(shuō)，前向安全指的是密鑰泄漏也不會(huì)讓之前加密的數(shù)據(jù)被泄漏，影響的只有當(dāng)前，對(duì)之前的數(shù)據(jù)無(wú)影響。
前面提到QUIC協(xié)議首次連接時(shí)先后生成了兩個(gè)加密密鑰，由于config被客戶端存儲(chǔ)了，如果期間服務(wù)端私鑰泄漏，那么可以根據(jù)K = mod p計(jì)算出密鑰K。
如果一直使用這個(gè)密鑰進(jìn)行加解密，那么就可以用K解密所有歷史消息，因此后續(xù)又生成了新密鑰，使用其進(jìn)行加解密，當(dāng)時(shí)完成交互時(shí)則銷毀，從而實(shí)現(xiàn)了前向安全。
3.5 前向糾錯(cuò)
前向糾錯(cuò)是通信領(lǐng)域的術(shù)語(yǔ)，看下百科的解釋：
前向糾錯(cuò)也叫前向糾錯(cuò)碼Forward Error Correction 簡(jiǎn)稱FEC 是增加數(shù)據(jù)通訊可信度的方法，在單向通訊信道中，一旦錯(cuò)誤被發(fā)現(xiàn)，其接收器將無(wú)權(quán)再請(qǐng)求傳輸。
FEC 是利用數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸冗余信息的方法，當(dāng)傳輸中出現(xiàn)錯(cuò)誤，將允許接收器再建數(shù)據(jù)。
聽這段描述就是做校驗(yàn)的，看看QUIC協(xié)議是如何實(shí)現(xiàn)的：
QUIC每發(fā)送一組數(shù)據(jù)就對(duì)這組數(shù)據(jù)進(jìn)行異或運(yùn)算，并將結(jié)果作為一個(gè)FEC包發(fā)送出去，接收方收到這一組數(shù)據(jù)后根據(jù)數(shù)據(jù)包和FEC包即可進(jìn)行校驗(yàn)和糾錯(cuò)。
3.6 連接遷移
網(wǎng)絡(luò)切換幾乎無(wú)時(shí)無(wú)刻不在發(fā)生。
TCP協(xié)議使用五元組來(lái)表示一條唯一的連接，當(dāng)我們從4G環(huán)境切換到wifi環(huán)境時(shí)，手機(jī)的IP地址就會(huì)發(fā)生變化，這時(shí)必須創(chuàng)建新的TCP連接才能繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。
QUIC協(xié)議基于UDP實(shí)現(xiàn)摒棄了五元組的概念，使用64位的隨機(jī)數(shù)作為連接的ID，并使用該ID表示連接。
基于QUIC協(xié)議之下，我們?cè)?strong>日常wifi和4G切換時(shí)，或者不同基站之間切換都不會(huì)重連，從而提高業(yè)務(wù)層的體驗(yàn)。
4. QUIC的應(yīng)用和前景
通過(guò)前面的一些介紹我們看出來(lái)QUIC協(xié)議雖然是基于UDP來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但是它將TCP的重要功能都進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化，否則使用者是不會(huì)買賬的。
QUIC協(xié)議的核心思想是將TCP協(xié)議在內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的諸如可靠傳輸、流量控制、擁塞控制等功能轉(zhuǎn)移到用戶態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)在加密傳輸方向的嘗試也推動(dòng)了TLS1.3的發(fā)展。
但是TCP協(xié)議的勢(shì)力過(guò)于強(qiáng)大，很多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備甚至對(duì)于UDP數(shù)據(jù)包做了很多不友好的策略，進(jìn)行攔截從而導(dǎo)致成功連接率下降。
主導(dǎo)者谷歌在自家產(chǎn)品做了很多嘗試，國(guó)內(nèi)騰訊公司也做了很多關(guān)于QUIC協(xié)議的嘗試。
其中騰訊云對(duì)QUIC協(xié)議表現(xiàn)了很大的興趣，并做了一些優(yōu)化然后在一些重點(diǎn)產(chǎn)品中對(duì)連接遷移、QUIC成功率、弱網(wǎng)環(huán)境耗時(shí)等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，給出了來(lái)自生產(chǎn)環(huán)境的諸多寶貴數(shù)據(jù)。
簡(jiǎn)單看一組騰訊云在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下的不同丟包率下的請(qǐng)求耗時(shí)分布：
任何新生事物的推動(dòng)都是需要時(shí)間的，出現(xiàn)多年的HTTP2.0和HTTPS協(xié)議的普及度都沒有預(yù)想高，IPv6也是如此，不過(guò)QUIC已經(jīng)展現(xiàn)了強(qiáng)大的生命力，讓我們拭目以待吧！
5.本文小結(jié)
網(wǎng)絡(luò)協(xié)議本身就很復(fù)雜，本文只能從整體出發(fā)對(duì)重要的部分做粗淺的闡述，如果對(duì)某個(gè)點(diǎn)很感興趣，可以查閱相關(guān)代碼和RFC文檔。
我們之前可能遇到過(guò)這個(gè)面試題：
如何用UDP協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)TCP協(xié)議的主要功能。
我確實(shí)筆試遇到過(guò)這道題，可以說(shuō)很抓狂，題目太宏大了。
不過(guò)現(xiàn)在看看QUIC協(xié)議就回答了這個(gè)問題：基于UDP主體將TCP的重要功能轉(zhuǎn)移到用戶空間來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而繞開內(nèi)核實(shí)現(xiàn)用戶態(tài)的TCP協(xié)議，但是真正實(shí)現(xiàn)起來(lái)還是非常復(fù)雜的。
技術(shù)進(jìn)步也非朝夕之功，需要在實(shí)踐中反復(fù)錘煉。
大家好，我是小林，一個(gè)專為大家圖解的工具人，如果覺得文章對(duì)你有幫助，歡迎分享給你的朋友，我們下次見！