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http3.0解析

tcp一直以来是http协议的基础,但是从http3.0开始,tcp协议被彻底弃用了。主要因为tcp协议存在以下几个问题:

  1. tcp在传输过程中,会把数据拆分成一个个按照顺序排列的数据包,这些数据包在传输到接收端之后,接收端再按照顺序,将这些数据包组成一个原始数据,这样就完成了数据传输。但如果其中一个数据包没有按照顺序到达的话,接收方会一直等待数据包的返回,这个时候会阻塞后续的请求。这种情况就发生了TCP队头阻塞的问题。而且在http2中引入了多路复用的技术,多个请求是基于一个TCP连接的,影响面积更大。

  2. TCP的可靠连接是基于三次握手和四次挥手实现的,三次握手的过程是有时间消耗的,TCP的三次握手是客户端和服务端之间需要有三次交互,需要消耗额外1.5RTT,客户端和服务端比较远的情况下,如果一个RTT达到300~400ms,那么握手的过程就显得很慢了。

TCP一直存在着如上两个无法解决的问题,于是http3.0彻底弃用了TCP,基于UDP + Diffie-Hellman算法实现了QUIC协议,这个协议不仅可以提供像TCP一样的可靠性,还能实现快速握手,也不会发生队头阻塞的问题.

QUIC 的加密协议采用了 TLS 协议的最新版本 TLS 1.3,相对之前的 TLS 1.1-1.2,TLS1.3 允许客户端无需等待 TLS 握手完成就开始发送应用程序数据的操作,可以支持1 RTT 和 0 RTT,从而达到快速建立连接的效果。

HTTP/2.0 虽然解决了队头阻塞问题,但是其建立的连接还是基于 TCP,无法解决请求阻塞问题。

而 UDP 本身没有建立连接这个概念,并且 QUIC 使用的 stream 之间是相互隔离的,不会阻塞其他 stream 数据的处理,所以使用 UDP 并不会造成队头阻塞。

虽然 QUIC 没有使用 TCP 协议,但是它也保证了可靠性,QUIC 实现可靠性的机制是使用了 Packet Number,这个序列号可以认为是 synchronize sequence number 的替代者,这个序列号也是递增的。与 syn 所不同的是,不管服务器有没有接收到数据包,这个 Packet Number 都会 + 1,而 syn 是只有服务器发送 ack 响应之后,syn 才会 + 1。

比如有一个 PN = 10 的数据包在发送的过程中由于某些原因迟迟没到服务器,那么客户端会重传一个 PN = 11 的数据包,经过一段时间后客户端收到 PN = 10 的响应后再回送响应报文,此时的 RTT 就是 PN = 10 这个数据包在网络中的生存时间,这样计算相对比较准确。

虽然 QUIC 保证了数据包的可靠性,但是数据的可靠性是如何保证的呢?

QUIC 引入了一个 stream offset 的概念,一个 stream 可以传输多个 stream offset,每个 stream offset 其实就是一个 PN 标识的数据,即使某个 PN 标识的数据丢失,PN + 1 后,它重传的仍旧是 PN 所标识的数据,等到所有 PN 标识的数据发送到服务器,就会进行重组,以此来保证数据可靠性。到达服务器的 stream offset 会按照顺序进行组装,这同时也保证了数据的顺序性。

众所周知,TCP 协议的具体实现是由操作系统内核来完成的,应用程序只能使用,不能对内核进行修改,随着移动端和越来越多的设备接入互联网,性能逐渐成为一个非常重要的衡量指标。虽然移动网络发展的非常快,但是用户端的更新却非常缓慢,我仍然看见有很多地区很多计算机还仍旧使用 xp 系统,尽管它早已发展了很多年。服务端系统不依赖用户升级,但是由于操作系统升级涉及到底层软件和运行库的更新,所以也比较保守和缓慢。

QUIC 协议的一个重要特点就是可插拔性,能够动态更新和升级,QUIC 在应用层实现了拥塞控制算法,不需要操作系统和内核的支持,遇到拥塞控制算法切换时,只需要在服务器重新加载一边即可,不需要停机和重启。

而 QUIC 也实现了流量控制,QUIC 的流量控制也是使用了窗口更新 window_update,来告诉对端它可以接受的字节数。

TCP 协议头部没有经过加密和认证,所以在传输的过程中很可能被篡改,与之不同的是,QUIC 中的报文头部都是经过认证,报文也经过加密处理。这样只要对 QUIC 的报文有任何修改,接收端都能够及时发现,保证了安全性。

总的来说,QUIC 具有下面这些优势

  • 使用 UDP 协议,不需要三次连接进行握手,而且也会缩短 TLS 建立连接的时间。
  • 解决了队头阻塞问题。
  • 实现动态可插拔,在应用层实现了拥塞控制算法,可以随时切换。
  • 报文头和报文体分别进行认证和加密处理,保障安全性。
  • 连接能够平滑迁移。
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