基于QUIC协议的HTTP/3，你了解多少？

前言

• 了解一下HTTP发展史：HTTP/0.9-HTTP/1.0-HTTP/1.1-HTTP/2.0

多个TCP连接

在最早的时候，HTTP通过建立多个TCP连接来完成请求，并且每次请求完成就会关闭本次的Tcp 连接，新的请求又要建立新的TCP连接来完成
缺点：每次请求都需要建立新连接，造成性能损耗；
     多个请求还会导致数据传输线路上的数据重复，反过来又需要额外的协议在端节点无错误地提取所需信息；
     安全性：旧HTTP协议上，Cookie Hack允许重用以前的工作会话来入侵帐户密码，因为HTTP1.1不提供会话端点身份设施，到SSL/TLS的出现才保障了会话的信息安全保密性

Keep-alive

在前面的基础，增加了Keep-Alive，主要解决了每次必须建立新连接的问题，在同一时间（时间可配置）内，同一域名多次请求数据，只建立一个HTTP请求，来达到提高请求效率的目的
缺点：请求的个数限制（6~8个）

管线化

HTTP 克服了同域并行请求限制带来的阻塞，把所有请求一并发给服务器，服务器需要按照顺序一个一个响应
缺点：阻塞问题，某个请求响应阻塞，后面的响应会被阻塞

多路复用

HTTP/2引入了两个非常重要的概念：帧（frame）和流（stream），在服务器和客户端之间交换的通过 HTTP/2 协议发送的双向文本格式帧序列称为“流”。HTTP 协议的早期迭代一次只能传输一个流，并且每个流传输之间存在一定的时间延迟。多路复用就是所有请求的都是通过一个 TCP 连接并发完成，通过一一发送的单个流接收大量媒体内容既低效又耗费资源。

该层允许客户端和服务器将 HTTP 有效负载分解为小的、独立且可管理的交错帧序列。然后在另一端重新组合此信息。在多路复用之前所有的传输是基于基础文本的，在多路复用中是基于二进制数据帧的传输、消息、流，所以可以做到乱序的传输。多路复用对同一域名下所有请求都是基于流，所以不存在同域并行的阻塞。好处概括如下：

• 并行多路复用的请求和响应不会相互阻塞
• 尽管传输多个数据流，但使用单个 TCP 连接来确保有效利用网络资源
• 无需应用不必要的优化技巧 ——例如图像精灵、连接和域分片等——这会损害网络性能的其他领域
• 减少延迟，更快的网络性能，更好的SEO
• 减少运行网络和 IT 资源的运营支出和资本支出
  除此外，HTTP2还有诸多其他方面性能、安全性、可靠性上的优点，得益于二进制协议、帧、流概念的引入。

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主体

HTTP/3

HTTP/3是第三个主要版本的HTTP协议。与其前任HTTP/1.1和HTTP/2不同，在HTTP/3中，将弃用TCP协议，改为使用基于UDP协议的QUIC协议实现。

QUIC（Quick UDP Internet Connections）由谷歌于2012年首次部署。它依赖于较低级别的UDP协议，重新定义了网络层的边界，重新定义了“用户空间”中的握手、可靠性特性和安全特性，避免了需要升级互联网系统的内核。

• 协议目录还是草案，要检查网站是否支持HTTP/3：http3check

此变化主要为了解决HTTP/2中存在的队头阻塞问题。由于HTTP/2在单个TCP连接上使用了多路复用，受到TCP拥塞控制的影响，少量的丢包就可能导致整个TCP连接上的所有流被阻塞。

QUIC 项目最初是作为 TCP+TLS+HTTP/2 的替代方案，旨在改善用户体验，尤其是页面加载时间。IETF的QUIC工作组定义了传输层（QUIC）和应用层（HTTP/3）之间的清晰边界，以及从 QUIC Crypto 迁移到TLS 1.3。
由于 TCP 是在操作系统内核和中间盒中实现的，因此对 TCP 进行广泛的重大更改几乎是不可能的。然而，由于 QUIC 是建立在 UDP 之上的，并且传输功能是加密的，所以它没有这样的限制。

基于 TCP+TLS 和 HTTP/2 的 QUIC 和 HTTP/3 的主要特性包括

• 减少连接建立时间 - 在常见情况下为 0 次往返
• 改进的拥塞控制反馈
• 多路复用，没有线头阻塞
• 连接迁移
• 传输可扩展性
• 可选的不可靠交付

HTTP/3（QUIC协议）新特性

• 零RTT建立连接
  传统HTTP/2(所有HTTP/2的浏览器均基于HTTPS)传输数据前需要三次RTT，即使将第一次TLS握手的对称秘钥缓存也需要两次RTT才能传递数据；
  对于HTTP/3而言，QUIC集成了TLS加密功能，相较于早期版本TLS1.3有更多的优点，其中最重要的一点是减少了握手所花费的RTT个数，仅仅需要一次RTT即可传递数据，如果将其缓存，就可将RTT减少至零。
  
  其核心就是DH秘钥交换算法：

  • 客户端向服务端请求数据
  • 服务端生成g、p、a三个随机数，用三个随机数生成A。将a保留后，将g、p、A(Server Config)传递到客户端
  • 客户端生成随机数b，将b保留后，用g、p、b三个随机数生成B
  • 客户端再使用A、b、p生成秘钥K，用K加密HTTP数据并与B一同发送到服务端

  • 服务端再使用B、a、p得到相同秘钥K，并解密HTTP数据

• 连接迁移
  传统连接通过源IP、源端口、目的IP、目的端口进行连接，当网络发生更换后连接再次建立时延较长；
  HTTP/3使用Connection ID对连接保持，只要Connection ID不改变，连接仍可维持。

• Fixed队头阻塞/多路复用

  • TCP作为面向连接的协议，对每次请求序等到ACK才可继续连接，一旦中间连接丢失将会产生队头阻塞
  • HTTP/1.1中提出Pipelining的方式，单个TCP连接可多次发送请求，但依旧会有中间请求丢失产生阻塞的问题
  • HTTP/2中将请求粒度减小，通过Frame的方式进行请求的发送。但在TCP层Frame组合得到Stream进行传输，一旦出现Stream中的Frame丢失，其后方的Stream都将会被阻塞
  • 对于HTTP/2而言，浏览器会默认采取TLS方式传输，TLS基于Record组织数据，每个Record包含16K，其中有12个TCP的包，一旦其中一个TCP包出现问题将会导致整个Record无法解密。这也是网络环境较差时HTTP/2的传输速度比HTTP/1.1更慢的原因
  • HTTP/3基于UDP的传输，不保证连接可靠性，也就没有队头阻塞的后果。同样传输单元与加密单元为Packet，在TLS下也可避免队头阻塞的问题

• 拥塞控制

  • 热拔插：TCP对于拥塞控制在于传输层，QUIC可在应用层操作改变拥塞控制方法
  • 前向纠错(FEC)：将数据切割成包后可对每个包进行异或运算，将运算结果随数据发送，一旦丢失数据可据此推算。(带宽换时间)
  • 单调递增的Packet Number：TCP在超时重传后的两次ACK接受情况并不支持的很好，导致RTT和RTO的计算有所偏差，HTTP/3对此进行改进，一旦重传后的Packet N会递增
  • ACK Delay: HTTP/3在计算RTT时健壮的考虑了服务端的ACK处理时延

• 流量控制
  TCP使用滑动窗口的方式对发送方的流量进行控制，而对接收方并无限制。在QUIC中补齐了这一短板，QUIC中接收方从单条Stream和整条连接两个角度动态调整接受的窗口大小。

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结语

• HTTP/3 QUIC协议基于UDP实现，也结合了TCP、TLS的优势，相比于TCP传输效率提高，虽然 UDP 确实为 QUIC 和 HTTP/3 提供了一些固有的优势，但它也带来了一些挑战，TCP 多年来一直是主流协议，而UDP不是，因此操作系统和它的软件堆栈通常没有得到优化，这也需要技术上的专研突破
• TLS 是强制性的，旨在使中间设备难以篡改或嗅探流量。这也是为什么经常看到防火墙提供商和供应商将 UDP协议视为一个问题，并提供禁用它的方法，中间商更难检查、监督或过滤 QUIC 流量
• 经过这么多年的发展以及IETF的推动，HTTP3协议肯定是会更加普及，主流的端和操作系统也会支持HTTP3，同时HTTPS over TCP由其兼容性和众多终端的拥趸，相信也还会继续占领一席之地

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参考文章

• 解密HTTP/2与HTTP/3 的新特性
• 【Wiki百科】HTTP/3
• kinsta blog