HTTP3

HTTP 发展历史

• HTTP/0.9 - 1991 单行协议：只支持 GET 方法；没有首部；只能获取纯文本
• HTTP/1.0 - 1996 搭建协议框架：增加了首部、状态码、权限、缓存、长连接（默认短连接）等规范
• HTTP/1.1 - 1997 默认长连接；缓存字段扩展；强制客户端提供 Host 首部；管线化
  • SPDY - 2012 强制压缩、多路复用、Pipeling、双向通信、优先级调用
• HTTP/2 - 2015 头部压缩、多路复用、Pipelining、Server push（解决 HTTP 队首阻塞）
• HTTP/3 - 2018 快速握手、可靠传输、有序交付（解决 TCP 队首阻塞）

• 🗑 TLS1.1- 由于安全因素，已经或将要废弃
• TLS 1.2 当今的主流版本
• TLS 1.3 简化了握手流程，增强了安全性

旧版本存在问题

虽然 HTTP/2 解决了很多之前旧版本的问题，但是它还是存在一个巨大的问题，主要是底层支撑的 TCP 协议造成的。HTTP/2 的缺点主要有以下两点：

• 建立连接的延时：HTTP/2 使用 TCP 协议来传输的，而如果使用 HTTPS 的话，还需要使用 TLS 协议进行安全传输，而使用 TLS 也需要一个握手过程，这样就需要有两个握手延迟过程
• 队头阻塞并没有彻底解决：在 HTTP/2 中，多个请求是跑在一个 TCP 管道中的。但当出现了丢包时，HTTP/2 的表现反倒不如 HTTP/1 了。因为 TCP 为了保证可靠传输，有个 丢包重传 机制，丢失的包必须要等待重新传输确认，HTTP/2 出现丢包时，整个 TCP 都要开始等待重传，那么就会阻塞该 TCP 连接中的所有请求。而对于 HTTP/1.1 来说，可以开启多个 TCP 连接，出现这种情况反到只会影响其中一个连接，剩余的 TCP 连接还可以正常传输数据

HTTP3 简介

Google 在推 SPDY 的时候就已经意识到了这些问题，于是就另起炉灶搞了一个基于 UDP 协议的“QUIC”协议，让 HTTP 跑在 QUIC 上而不是 TCP 上。 而这个“HTTP over QUIC”就是 HTTP 协议的下一个大版本，HTTP/3。

QUIC 虽然基于 UDP，但是在原本的基础上新增了很多功能，接下来我们重点介绍几个 QUIC 新功能。不过 HTTP/3 目前还处于草案阶段，正式发布前可能会有变动，所以本文尽量不涉及那些不稳定的细节。

新特性

零 RTT 建立连接

HTTP/2 的连接需要 3 RTT，如果考虑会话复用，即把第一次握手算出来的对称密钥缓存起来，那么也需要 2 RTT，更进一步的，如果 TLS 升级到 1.3，那么 HTTP/2 连接需要 2 RTT，考虑会话复用则需要 1 RTT。

有人会说 HTTP/2 不一定需要 HTTPS，握手过程还可以简化。这没毛病，HTTP/2 的标准的确不需要基于 HTTPS，但实际上所有浏览器的实现都要求 HTTP/2 必须基于 HTTPS，所以 HTTP/2 的加密连接必不可少。

而 HTTP/3 首次连接只需要 1 RTT，后面的连接更是只需 0 RTT，意味着客户端发给服务端的第一个包就带有请求数据，这一点 HTTP/2 难以望其项背。那这背后是什么原理呢？我们具体看下 QUIC 的连接过程。

1. 首次连接时，客户端发送 Inchoate Client Hello 给服务端，用于请求连接；
2. 服务端生成 g、p、a，根据 g、p 和 a 算出 A，然后将 g、p、A 放到 Server Config 中再发送 Rejection 消息给客户端；
3. 客户端接收到 g、p、A 后，自己再生成 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，客户端会用 K 加密 HTTP 数据，连同 B 一起发送给服务端；
4. 服务端接收到 B 后，根据 a、p、B 生成与客户端同样的密钥，再用这密钥解密收到的 HTTP 数据。为了进一步的安全（前向安全性），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；
5. 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。

这样，QUIC 从请求连接到正式接发 HTTP 数据一共花了 1 RTT，这 1 个 RTT 主要是为了获取 Server Config，后面的连接如果客户端缓存了 Server Config，那么就可以直接发送 HTTP 数据，实现 0 RTT 建立连接。

这里使用的是 DH 密钥交换算法，DH 算法的核心就是服务端生成 a、g、p 3 个随机数，a 自己持有，g 和 p 要传输给客户端，而客户端会生成 b 这 1 个随机数，通过 DH 算法客户端和服务端可以算出同样的密钥。在这过程中 a 和 b 并不参与网络传输，安全性大大提高。因为 p 和 g 是大数，所以即使在网络中传输的 p、g、A、B 都被劫持，那么靠现在的计算机算力也没法破解密钥。

连接迁移

TCP 连接基于四元组（源 IP、源端口、目的 IP、目的端口），切换网络时至少会有一个因素发生变化，导致连接发生变化。当连接发生变化时，如果还使用原来的 TCP 连接，则会导致连接失败，就得等原来的连接超时后重新建立连接，所以我们有时候发现切换到一个新网络时，即使新网络状况良好，但内容还是需要加载很久。如果实现得好，当检测到网络变化时立刻建立新的 TCP 连接，即使这样，建立新的连接还是需要几百毫秒的时间。

QUIC 的连接不受四元组的影响，当这四个元素发生变化时，原连接依然维持。那这是怎么做到的呢？道理很简单，QUIC 连接不以四元组作为标识，而是使用一个 64 位的随机数，这个随机数被称为 Connection ID，即使 IP 或者端口发生变化，只要 Connection ID 没有变化，那么连接依然可以维持。

队头阻塞和多路复用

队头阻塞会导致 HTTP/2 在更容易丢包的弱网络环境下比 HTTP/1.1 更慢！

那 QUIC 是如何解决队头阻塞问题的呢？主要有两点。

• 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，这样就能避免 TLS 的队头阻塞问题
• QUIC 基于 UDP，UDP 的数据包在接收端没有处理顺序，即使中间丢失一个包，也不会阻塞整条连接，其他的资源会被正常处理

拥塞控制

拥塞控制的目的是避免过多的数据一下子涌入网络，导致网络超出最大负荷。QUIC 的拥塞控制与 TCP 类似，并在此基础上做了改进。所以我们先简单介绍下 TCP 的拥塞控制。

TCP 拥塞控制由 4 个核心算法组成：慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复，理解了这 4 个算法，对 TCP 的拥塞控制也就有了大概了解。

• 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 算法进行拥塞控制，并在此基础上做了不少改进。下面介绍一些 QUIC 改进的拥塞控制的特性。

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。

前向纠错 FEC

QUIC 使用前向纠错（FEC，Forward Error Correction）技术增加协议的容错性。一段数据被切分为 10 个包后，依次对每个包进行异或运算，运算结果会作为 FEC 包与数据包一起被传输，如果不幸在传输过程中有一个数据包丢失，那么就可以根据剩余 9 个包以及 FEC 包推算出丢失的那个包的数据，这样就大大增加了协议的容错性。

这是符合现阶段网络技术的一种方案，现阶段带宽已经不是网络传输的瓶颈，往返时间才是，所以新的网络传输协议可以适当增加数据冗余，减少重传操作。

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。

超时发生后客户端发起重传，后来接收到了 ACK 确认消息，但因为原始请求和重传请求接收到的 ACK 消息一样，所以客户端就郁闷了，不知道这个 ACK 对应的是原始请求还是重传请求。如果客户端认为是原始请求的 ACK，但实际上是左图的情形，则计算的采样 RTT 偏大；如果客户端认为是重传请求的 ACK，但实际上是右图的情形，又会导致采样 RTT 偏小。图中有几个术语，RTO 是指超时重传时间（Retransmission TimeOut），跟我们熟悉的 RTT（Round Trip Time，往返时间）很长得很像。采样 RTT 会影响 RTO 计算，超时时间的准确把握很重要，长了短了都不合适。

QUIC 解决了上面的歧义问题。与 Sequence Number 不同的是，Packet Number 严格单调递增，如果 Packet N 丢失了，那么重传时 Packet 的标识不会是 N，而是比 N 大的数字，比如 N + M，这样发送方接收到确认消息时就能方便地知道 ACK 对应的是原始请求还是重传请求。

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，如下图所示，这段延迟即 ACK Delay。QUIC 考虑了这段延迟，使得 RTT 的计算更加准确。

更多的 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 TCP 连接进行流量控制，流量控制的意思是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来实现的。可以看出，拥塞控制主要是控制发送方的发送策略，但没有考虑到接收方的接收能力，流量控制是对这部分能力的补齐。

QUIC 只需要建立一条连接，在这条连接上同时传输多条 Stream，好比有一条道路，两头分别有一个仓库，道路中有很多车辆运送物资。QUIC 的流量控制有两个级别：连接级别（Connection Level）和 Stream 级别（Stream Level），好比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。

那 QUIC 是怎么实现流量控制的呢？我们先看单条 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。如下图所示，蓝色块表示已处理数据，黄色块表示未处理数据，这部分数据的到来，使得 Stream 的接收窗口缩小。

随着数据不断被处理，接收方就有能力处理更多数据。当满足 (flow control receive offset - consumed bytes) < (max receive window / 2) 时，接收方会发送 WINDOW_UPDATE frame 告诉发送方你可以再多发送些数据过来。这时 flow control receive offset 就会偏移，接收窗口增大，发送方可以发送更多数据到接收方。

Stream 级别对防止接收端接收过多数据作用有限，更需要借助 Connection 级别的流量控制。理解了 Stream 流量那么也很好理解 Connection 流控。Stream 中，接收窗口(flow control receive window) = 最大接收窗口(max receive window) - 已接收数据(highest received byte offset) ，而对 Connection 来说：接收窗口 = Stream1 接收窗口 + Stream2 接收窗口 + ... + StreamN 接收窗口 。

参考资料

• HTTP/3 原理实战