网络编程懒人入门(十)：一泡尿的时间，快速读懂QUIC协议

Posted on 2019-11-01 14:32 Jack Jiang 阅读(1011) 评论(0) 编辑收藏

1、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（如下图 1，更详细原理请见《理论经典：TCP协议的3次握手与4次挥手过程详解》），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）。

▲ 图 1 - TCP的三次握手原理图

▲ 图 2 - 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。
（本文同步发布于：http://www.52im.net/thread-2816-1-1.html）

2、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）。

▲ 图 3 - 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》。

3、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。。。）。

4、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。

5、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。

6、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。
1）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。
2）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。
3）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。
4）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

7、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。

8、参考资料

《技术扫盲：新一代基于UDP的低延时网络传输层协议——QUIC详解》
《让互联网更快：新一代QUIC协议在腾讯的技术实践分享》
《七牛云技术分享：使用QUIC协议实现实时视频直播0卡顿！》
Google的“ Next generation multiplexed transport over UDP”文档：
Next generation multiplexed transport over UDP.pdf (563.01 KB ）

9、系列文章

本文是系列文章中的第10篇，本系列文章的大纲如下：
《网络编程懒人入门(一)：快速理解网络通信协议（上篇）》
《网络编程懒人入门(二)：快速理解网络通信协议（下篇）》
《网络编程懒人入门(三)：快速理解TCP协议一篇就够》
《网络编程懒人入门(四)：快速理解TCP和UDP的差异》
《网络编程懒人入门(五)：快速理解为什么说UDP有时比TCP更有优势》
《网络编程懒人入门(六)：史上最通俗的集线器、交换机、路由器功能原理入门》
《网络编程懒人入门(七)：深入浅出，全面理解HTTP协议》
《网络编程懒人入门(八)：手把手教你写基于TCP的Socket长连接》
《网络编程懒人入门(九)：通俗讲解，有了IP地址，为何还要用MAC地址？》
《网络编程懒人入门(十)：一泡尿的时间，快速读懂QUIC协议》（本文）

附录：更多网络编程相关资料推荐

《TCP/IP详解 - 第11章·UDP：用户数据报协议》
《TCP/IP详解 - 第17章·TCP：传输控制协议》
《TCP/IP详解 - 第18章·TCP连接的建立与终止》
《TCP/IP详解 - 第21章·TCP的超时与重传》
《技术往事：改变世界的TCP/IP协议（珍贵多图、手机慎点）》
《通俗易懂-深入理解TCP协议（上）：理论基础》
《通俗易懂-深入理解TCP协议（下）：RTT、滑动窗口、拥塞处理》
《理论经典：TCP协议的3次握手与4次挥手过程详解》
《理论联系实际：Wireshark抓包分析TCP 3次握手、4次挥手过程》
《计算机网络通讯协议关系图（中文珍藏版）》
《UDP中一个包的大小最大能多大？》
《P2P技术详解(一)：NAT详解——详细原理、P2P简介》
《P2P技术详解(二)：P2P中的NAT穿越(打洞)方案详解》
《P2P技术详解(三)：P2P技术之STUN、TURN、ICE详解》
《通俗易懂：快速理解P2P技术中的NAT穿透原理》
《高性能网络编程(一)：单台服务器并发TCP连接数到底可以有多少》
《高性能网络编程(二)：上一个10年，著名的C10K并发连接问题》
《高性能网络编程(三)：下一个10年，是时候考虑C10M并发问题了》
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《不为人知的网络编程(四)：深入研究分析TCP的异常关闭》
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