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# 新一代低延时网络传输协议QUIC

# QUIC协议概述

Quic全称quick udp internet connection，“快速UDP互联网连接”，是一种利用udp进行多路并发传输的协议

QUIC是用来替代TCP、SSL/TLS的传输层协议，常用的HTTP、FTP、IMAP等应用层协议理论上都可以运行在QUIC上

# QUIC的核心特性

# 建立连接时延低

QUIC协议具有0RTT的特点。

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从左图可以看出，传统TCP连接后HTTP发送数据需要3RTT，而使用QUIC，只需要首次连接1RTT，后续连接只需0RTT，意味着客户端发给服务端的第一个包就带有请求数据。

从右图看，QUIC的请求过程分为以下几步

  • 首次连接时，客户端发送Inchoate Client Hello 给服务端，用于请求连接

  • 服务端生成g、p、a，根据g、p、a计算出A，然后将g、p、A放到Server Config中再发送Rejection消息给客户端

  • 客户端收到g、p、A，自己生成b，根据g、p、b算出B，根据A、p、b算出初始密钥K。B和K算好后，客户端用K加密HTTP数据，连同B一起发送给服务端

  • 服务端收到B后，根据a、p、B生成与客户端相同的密钥，再用这个密钥解密收到的HTTP数据。为了进一步的安全，服务端会更新自己的随机数a和公钥，再生成新的密钥S，然后把公钥通过Server Hello发送给客户端，连同Server Hello消息，还有HTTP返回数据

  • 客户端收到Server Hello后，生成与服务端一致的新密钥S，后面的传输都使用S加密

整个过程，QUIC从请求连接到发送HTTP数据一共花了1RTT，这1个RTT主要是获取Server Config，后面的连接如果客户端缓存了ServerConfig，那么就可以直接发送HTTP数据，实现0RTT建立连接

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# 连接迁移

TCP连接基于四元组（源IP、源端口、目的IP、目的端口），切换网络一个元素发生变化，则连接发生变化。

如果连接发生变化时，还使用原来的TCP连接，则会连接失败，就必须等连接超时后重新建立连接

QUIC的连接不受四元组的影响，当四元组发生变化时，原来的连接状态仍然保持

其原理是，QUIC的连接不以四元组作为标识，而是使用一个64位的随机数，这个随机数成为你的Connection ID，即使IP或端口发生变化，只要这个Connection ID没有变化，仍然可以维持连接

# 多路复用/队头阻塞

# 队头阻塞

TCP是面向连接的协议，每次发送请求后，都需要收到ACK来保证对方接收到数据。如果每次请求都要在收到上次的ACK后再请求，那么效率会很低，之后Http1.1提出了Pipelining技术，允许一个TCP连接同时发送多个请求，提高了传输效率

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但是，Pipelining会带来队头阻塞问题

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在上图中，一个TCP连接中，同时传输10个请求，其中1、2、3个请求被接收，但第4个请求丢失，那么后面的请求会发生阻塞，浪费了带宽资源

# 多路复用

在Http/2中，多路复用技术解决了上述队头阻塞的问题

不像http/1.1中只有上一个请求的所有数据包被传输，Http/2中每个请求被拆分为多个Frame，通过一条TCP
连接同时被传输，这样即使一个请求阻塞，也不会影响其他请求，不同颜色代表不同请求，相同颜色的色块代表请求被切分的frame

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Http/2解决了“请求”这个粒度的阻塞，但是其基础协议TCP也会存在队头阻塞的问题。HTTP/2的每个请求都会被拆分成多个frame。不同请求的frame组合成stream，stream是TCP上的逻辑传输单元，这样 HTTP/2 就达到了一条连接同时发送多条请求的目标，这就是多路复用的原理。

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如上图所示，在一条TCP连接上同时发送4个Stream，其中1到达，2中的第三个frame丢失，因此会要求重发第三个frame，3、4已经到达却不能被处理，整条链路被阻塞。

而且Http/2必须使用Https，因此其中的TLS协议也会存在队头阻塞的问题。

QUIC解决队头阻塞有两点：

  1. QUIC的传输单元是Packet，加密单元也是Packet，整个加密、传输、解密都基于Packet，因此可以避免TLS队头阻塞的问题
  2. QUIC基于UDP，UDP的数据包在接收端没有处理顺序，因此中间丢失一个包，也不会阻塞整条连接，其他资源会被正常处理

# 拥塞控制

拥塞控制的目的是避免过多的数据一下子进入网络，导致网络超出负荷。QUIC的拥塞控制与TCP类似，并且在此基础上做了改进，TCP的拥塞控制由4个核心算法组成

  • 慢启动：发送方向接收方发送1个单位的数据，收到对方确认后会发送2个单位的数据，然后依次是4个8个……呈指数级增长，这个过程就是在不断试探网络的拥塞程度，超出阈值则会导致网络拥塞；
  • 拥塞避免：指数增长不可能是无限的，到达某个限制（慢启动阈值）之后，指数增长变为线性增长；
  • 快速重传：发送方每一次发送时都会设置一个超时计时器，超时后即认为丢失，需要重发；
  • 快速恢复：在上面快速重传的基础上，发送方重新发送数据时，也会启动一个超时定时器，如果收到确认消息则进入拥塞避免阶段，如果仍然超时，则回到慢启动阶段。

QUIC重新实现了TCP协议的Cubic算法，并做了改进。

# 热插拔

TCP 中如果要修改拥塞控制策略，需要在系统层面进行操作。QUIC 修改拥塞控制策略只需要在应用层操作，并且 QUIC 会根据不同的网络环境、用户来动态选择拥塞控制算法。

# 单调递增的Packet Number

TCP 为了保证可靠性，使用 Sequence Number 和 ACK 来确认消息是否有序到达，但这样的设计存在缺陷。

当产生重传后，收到ACK的确认消息，此时无法确定此ACK是第一次传输还是重传的确认信息

而QUIC的Packet Number是单调递增的，因此如果Packet N丢失了，重传时的Packet标识不会是N，而是大于N的数字，这样发送方就能清楚的知道是原始请求还是重传请求的确认信息

# ACK Delay

TCP 计算 RTT 时没有考虑接收方接收到数据到发送确认消息之间的延迟。QUIC 考虑了这段延迟，使得 RTT 的计算更加准确。

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# 更多ACK块

一般来说，接收方收到发送方的消息后都应该发送一个 ACK 回复，表示收到了数据。但每收到一个数据就返回一个 ACK 回复太麻烦，所以一般不会立即回复，而是接收到多个数据后再回复，TCP SACK 最多提供 3 个 ACK block。但有些场景下，比如下载，只需要服务器返回数据就好，但按照 TCP 的设计，每收到 3 个数据包就要“礼貌性”地返回一个 ACK。而 QUIC 最多可以捎带 256 个 ACK block。在丢包率比较严重的网络下，更多的 ACK block 可以减少重传量，提升网络效率。

# 流量控制

TCP会对每个连接进行流量控制，让发送方不要发送太快，要让接收方来得及接收，不然会导致数据溢出而丢失。

TCP的流量控制主要通过滑动窗口实现。拥塞控制主要是控制发送方的发送策略，流量控制考虑了接收方的接收能力。

QUIC 只需要建立一条连接，在这条连接上同时传输多条 Stream。QUIC 的流量控制有两个级别：连接级别（Connection Level）和 Stream 级别（Stream Level），既要控制这条路的总流量，不要一下子很多车辆涌进来，货物来不及处理，也不能一个车辆一下子运送很多货物，这样货物也来不及处理。

单条 Stream 的流量控制。Stream 还没传输数据时，接收窗口（flow control receive window）就是最大接收窗口（flow control receive window），随着接收方接收到数据后，接收窗口不断缩小。在接收到的数据中，有的数据已被处理，而有的数据还没来得及被处理。

当越来越多的数据被处理后，可接收的数据又会增加，开始接收更多数据

# 总结

QUIC基于UDP，借鉴了TCP、TLS、HTTP/2的特性，但更简洁，具有零RTT建立连接、连接迁移、多路复用、拥塞控制、流量控制等优秀的特点，是一个更安全高效可靠的HTTP通信协议。

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