2015 年 HTTP/2 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)表后，大多數(shù)主流瀏覽器也于當(dāng)年年底支持該標(biāo)準(zhǔn)。此后，憑借著多路復(fù)用、頭部壓縮、服務(wù)器推送等優(yōu)勢，HTTP/2 得到了越來越多開發(fā)者的青睞，不知不覺的 HTTP 已經(jīng)發(fā)展到了第三代。本文基于興趣部落接入 HTTP/3 的實踐，聊一聊 HTTP/3 的原理以及業(yè)務(wù)接入的方式。

1. HTTP/3 原理

1.1 HTTP 歷史

在介紹 HTTP/3 之前，我們先簡單看下 HTTP 的歷史，了解下 HTTP/3 出現(xiàn)的背景。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，1999 年設(shè)計的 HTTP/1.1 已經(jīng)不能滿足需求，所以 Google 在 2009 年設(shè)計了基于 TCP 的 SPDY，后來 SPDY 的開發(fā)組推動 SPDY 成為正式標(biāo)準(zhǔn)，不過最終沒能通過。不過 SPDY 的開發(fā)組全程參與了 HTTP/2 的制定過程，參考了 SPDY 的很多設(shè)計，所以我們一般認(rèn)為 SPDY 就是 HTTP/2 的前身。無論 SPDY 還是 HTTP/2，都是基于 TCP 的，TCP 與 UDP 相比效率上存在天然的劣勢，所以 2013 年 Google 開發(fā)了基于 UDP 的名為 QUIC 的傳輸層協(xié)議，QUIC 全稱 Quick UDP Internet Connections，希望它能替代 TCP，使得網(wǎng)頁傳輸更加高效。后經(jīng)提議，互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組正式將基于 QUIC 協(xié)議的 HTTP （HTTP over QUIC）重命名為 HTTP/3。

1.2 QUIC 協(xié)議概覽

TCP 一直是傳輸層中舉足輕重的協(xié)議，而 UDP 則默默無聞，在面試中問到 TCP 和 UDP 的區(qū)別時，有關(guān) UDP 的回答常常寥寥幾語，長期以來 UDP 給人的印象就是一個很快但不可靠的傳輸層協(xié)議。但有時候從另一個角度看，缺點可能也是優(yōu)點。QUIC（Quick UDP Internet Connections，快速 UDP 網(wǎng)絡(luò)連接） 基于 UDP，正是看中了 UDP 的速度與效率。同時 QUIC 也整合了 TCP、TLS 和 HTTP/2 的優(yōu)點，并加以優(yōu)化。用一張圖可以清晰地表示他們之間的關(guān)系。

那 QUIC 和 HTTP/3 什么關(guān)系呢？QUIC 是用來替代 TCP、SSL/TLS 的傳輸層協(xié)議，在傳輸層之上還有應(yīng)用層，我們熟知的應(yīng)用層協(xié)議有 HTTP、FTP、IMAP 等，這些協(xié)議理論上都可以運行在 QUIC 之上，其中運行在 QUIC 之上的 HTTP 協(xié)議被稱為 HTTP/3，這就是”HTTP over QUIC 即 HTTP/3“的含義。

因此想要了解 HTTP/3，QUIC 是繞不過去的，下面主要通過幾個重要的特性讓大家對 QUIC 有更深的理解。

1.3 零 RTT 建立連接

用一張圖可以形象地看出 HTTP/2 和 HTTP/3 建立連接的差別。

HTTP/2 的連接需要 3 RTT，如果考慮會話復(fù)用，即把第一次握手算出來的對稱密鑰緩存起來，那么也需要 2 RTT，更進(jìn)一步的，如果 TLS 升級到 1.3，那么 HTTP/2 連接需要 2 RTT，考慮會話復(fù)用則需要 1 RTT。有人會說 HTTP/2 不一定需要 HTTPS，握手過程還可以簡化。這沒毛病，HTTP/2 的標(biāo)準(zhǔn)的確不需要基于 HTTPS，但實際上所有瀏覽器的實現(xiàn)都要求 HTTP/2 必須基于 HTTPS，所以 HTTP/2 的加密連接必不可少。而 HTTP/3 首次連接只需要 1 RTT，后面的連接更是只需 0 RTT，意味著客戶端發(fā)給服務(wù)端的第一個包就帶有請求數(shù)據(jù)，這一點 HTTP/2 難以望其項背。那這背后是什么原理呢？我們具體看下 QUIC 的連接過程。

Step1：首次連接時，客戶端發(fā)送 Inchoate Client Hello 給服務(wù)端，用于請求連接；

Step2：服務(wù)端生成 g、p、a，根據(jù) g、p 和 a 算出 A，然后將 g、p、A 放到 Server Config 中再發(fā)送 Rejection 消息給客戶端；

Step3：客戶端接收到 g、p、A 后，自己再生成 b，根據(jù) g、p、b 算出 B，根據(jù) A、p、b 算出初始密鑰 K。B 和 K 算好后，客戶端會用 K 加密 HTTP 數(shù)據(jù)，連同 B 一起發(fā)送給服務(wù)端；

Step4：服務(wù)端接收到 B 后，根據(jù) a、p、B 生成與客戶端同樣的密鑰，再用這密鑰解密收到的 HTTP 數(shù)據(jù)。為了進(jìn)一步的安全（前向安全性），服務(wù)端會更新自己的隨機數(shù) a 和公鑰，再生成新的密鑰 S，然后把公鑰通過 Server Hello 發(fā)送給客戶端。連同 Server Hello 消息，還有 HTTP 返回數(shù)據(jù)；

Step5：客戶端收到 Server Hello 后，生成與服務(wù)端一致的新密鑰 S，后面的傳輸都使用 S 加密。

這樣，QUIC 從請求連接到正式接發(fā) HTTP 數(shù)據(jù)一共花了 1 RTT，這 1 個 RTT 主要是為了獲取 Server Config，后面的連接如果客戶端緩存了 Server Config，那么就可以直接發(fā)送 HTTP 數(shù)據(jù)，實現(xiàn) 0 RTT 建立連接。

這里使用的是 DH 密鑰交換算法，DH 算法的核心就是服務(wù)端生成 a、g、p 3 個隨機數(shù)，a 自己持有，g 和 p 要傳輸給客戶端，而客戶端會生成 b 這 1 個隨機數(shù)，通過 DH 算法客戶端和服務(wù)端可以算出同樣的密鑰。在這過程中 a 和 b 并不參與網(wǎng)絡(luò)傳輸，安全性大大提高。因為 p 和 g 是大數(shù)，所以即使在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)?p、g、A、B 都被劫持，那么靠現(xiàn)在的計算機算力也沒法破解密鑰。

1.4 連接遷移

TCP 連接基于四元組（源 IP、源端口、目的 IP、目的端口），切換網(wǎng)絡(luò)時至少會有一個因素發(fā)生變化，導(dǎo)致連接發(fā)生變化。當(dāng)連接發(fā)生變化時，如果還使用原來的 TCP 連接，則會導(dǎo)致連接失敗，就得等原來的連接超時后重新建立連接，所以我們有時候發(fā)現(xiàn)切換到一個新網(wǎng)絡(luò)時，即使新網(wǎng)絡(luò)狀況良好，但內(nèi)容還是需要加載很久。如果實現(xiàn)得好，當(dāng)檢測到網(wǎng)絡(luò)變化時立刻建立新的 TCP 連接，即使這樣，建立新的連接還是需要幾百毫秒的時間。

QUIC 的連接不受四元組的影響，當(dāng)這四個元素發(fā)生變化時，原連接依然維持。那這是怎么做到的呢？道理很簡單，QUIC 連接不以四元組作為標(biāo)識，而是使用一個 64 位的隨機數(shù)，這個隨機數(shù)被稱為 Connection ID，即使 IP 或者端口發(fā)生變化，只要 Connection ID 沒有變化，那么連接依然可以維持。

1.5 隊頭阻塞/多路復(fù)用

HTTP/1.1 和 HTTP/2 都存在隊頭阻塞問題（Head of line blocking），那什么是隊頭阻塞呢？

TCP 是個面向連接的協(xié)議，即發(fā)送請求后需要收到 ACK 消息，以確認(rèn)對方已接收到數(shù)據(jù)。如果每次請求都要在收到上次請求的 ACK 消息后再請求，那么效率無疑很低。后來 HTTP/1.1 提出了 Pipelining 技術(shù)，允許一個 TCP 連接同時發(fā)送多個請求，這樣就大大提升了傳輸效率。

在這個背景下，下面就來談 HTTP/1.1 的隊頭阻塞。下圖中，一個 TCP 連接同時傳輸 10 個請求，其中第 1、2、3 個請求已被客戶端接收，但第 4 個請求丟失，那么后面第 5 - 10 個請求都被阻塞，需要等第 4 個請求處理完畢才能被處理，這樣就浪費了帶寬資源。

因此，HTTP 一般又允許每個主機建立 6 個 TCP 連接，這樣可以更加充分地利用帶寬資源，但每個連接中隊頭阻塞的問題還是存在。

HTTP/2 的多路復(fù)用解決了上述的隊頭阻塞問題。不像 HTTP/1.1 中只有上一個請求的所有數(shù)據(jù)包被傳輸完畢下一個請求的數(shù)據(jù)包才可以被傳輸，HTTP/2 中每個請求都被拆分成多個 Frame 通過一條 TCP 連接同時被傳輸，這樣即使一個請求被阻塞，也不會影響其他的請求。如下圖所示，不同顏色代表不同的請求，相同顏色的色塊代表請求被切分的 Frame。

事情還沒完，HTTP/2 雖然可以解決“請求”這個粒度的阻塞，但 HTTP/2 的基礎(chǔ) TCP 協(xié)議本身卻也存在著隊頭阻塞的問題。HTTP/2 的每個請求都會被拆分成多個 Frame，不同請求的 Frame 組合成 Stream，Stream 是 TCP 上的邏輯傳輸單元，這樣 HTTP/2 就達(dá)到了一條連接同時發(fā)送多條請求的目標(biāo)，這就是多路復(fù)用的原理。我們看一個例子，在一條 TCP 連接上同時發(fā)送 4 個 Stream，其中 Stream1 已正確送達(dá)，Stream2 中的第 3 個 Frame 丟失，TCP 處理數(shù)據(jù)時有嚴(yán)格的前后順序，先發(fā)送的 Frame 要先被處理，這樣就會要求發(fā)送方重新發(fā)送第 3 個 Frame，Stream3 和 Stream4 雖然已到達(dá)但卻不能被處理，那么這時整條連接都被阻塞。

不僅如此，由于 HTTP/2 必須使用 HTTPS，而 HTTPS 使用的 TLS 協(xié)議也存在隊頭阻塞問題。TLS 基于 Record 組織數(shù)據(jù)，將一堆數(shù)據(jù)放在一起（即一個 Record）加密，加密完后又拆分成多個 TCP 包傳輸。一般每個 Record 16K，包含 12 個 TCP 包，這樣如果 12 個 TCP 包中有任何一個包丟失，那么整個 Record 都無法解密。

隊頭阻塞會導(dǎo)致 HTTP/2 在更容易丟包的弱網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下比 HTTP/1.1 更慢！

那 QUIC 是如何解決隊頭阻塞問題的呢？主要有兩點。

•  QUIC 的傳輸單元是 Packet，加密單元也是 Packet，整個加密、傳輸、解密都基于 Packet，這樣就能避免 TLS 的隊頭阻塞問題；
•  QUIC 基于 UDP，UDP 的數(shù)據(jù)包在接收端沒有處理順序，即使中間丟失一個包，也不會阻塞整條連接，其他的資源會被正常處理。

1.6 擁塞控制

擁塞控制的目的是避免過多的數(shù)據(jù)一下子涌入網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)超出最大負(fù)荷。QUIC 的擁塞控制與 TCP 類似，并在此基礎(chǔ)上做了改進(jìn)。所以我們先簡單介紹下 TCP 的擁塞控制。

TCP 擁塞控制由 4 個核心算法組成：慢啟動、擁塞避免、快速重傳和快速恢復(fù)，理解了這 4 個算法，對 TCP 的擁塞控制也就有了大概了解。

•  慢啟動：發(fā)送方向接收方發(fā)送 1 個單位的數(shù)據(jù)，收到對方確認(rèn)后會發(fā)送 2 個單位的數(shù)據(jù)，然后依次是 4 個、8 個……呈指數(shù)級增長，這個過程就是在不斷試探網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，超出閾值則會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞；
•  擁塞避免：指數(shù)增長不可能是無限的，到達(dá)某個限制（慢啟動閾值）之后，指數(shù)增長變?yōu)榫€性增長；
•  快速重傳：發(fā)送方每一次發(fā)送時都會設(shè)置一個超時計時器，超時后即認(rèn)為丟失，需要重發(fā)；
•  快速恢復(fù)：在上面快速重傳的基礎(chǔ)上，發(fā)送方重新發(fā)送數(shù)據(jù)時，也會啟動一個超時定時器，如果收到確認(rèn)消息則進(jìn)入擁塞避免階段，如果仍然超時，則回到慢啟動階段。

QUIC 重新實現(xiàn)了 TCP 協(xié)議的 Cubic 算法進(jìn)行擁塞控制，并在此基礎(chǔ)上做了不少改進(jìn)。下面介紹一些 QUIC 改進(jìn)的擁塞控制的特性。

1.6.1 熱插拔

TCP 中如果要修改擁塞控制策略，需要在系統(tǒng)層面進(jìn)行操作。QUIC 修改擁塞控制策略只需要在應(yīng)用層操作，并且 QUIC 會根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、用戶來動態(tài)選擇擁塞控制算法。

1.6.2 前向糾錯 FEC

QUIC 使用前向糾錯(FEC，F(xiàn)orward Error Correction)技術(shù)增加協(xié)議的容錯性。一段數(shù)據(jù)被切分為 10 個包后，依次對每個包進(jìn)行異或運算，運算結(jié)果會作為 FEC 包與數(shù)據(jù)包一起被傳輸，如果不幸在傳輸過程中有一個數(shù)據(jù)包丟失，那么就可以根據(jù)剩余 9 個包以及 FEC 包推算出丟失的那個包的數(shù)據(jù)，這樣就大大增加了協(xié)議的容錯性。

這是符合現(xiàn)階段網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一種方案，現(xiàn)階段帶寬已經(jīng)不是網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)钠款i，往返時間才是，所以新的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議可以適當(dāng)增加數(shù)據(jù)冗余，減少重傳操作。

1.6.3 單調(diào)遞增的 Packet Number

TCP 為了保證可靠性，使用 Sequence Number 和 ACK 來確認(rèn)消息是否有序到達(dá)，但這樣的設(shè)計存在缺陷。

超時發(fā)生后客戶端發(fā)起重傳，后來接收到了 ACK 確認(rèn)消息，但因為原始請求和重傳請求接收到的 ACK 消息一樣，所以客戶端就郁悶了，不知道這個 ACK 對應(yīng)的是原始請求還是重傳請求。如果客戶端認(rèn)為是原始請求的 ACK，但實際上是左圖的情形，則計算的采樣 RTT 偏大；如果客戶端認(rèn)為是重傳請求的 ACK，但實際上是右圖的情形，又會導(dǎo)致采樣 RTT 偏小。圖中有幾個術(shù)語，RTO 是指超時重傳時間（Retransmission TimeOut），跟我們熟悉的 RTT（Round Trip Time，往返時間）很長得很像。采樣 RTT 會影響 RTO 計算，超時時間的準(zhǔn)確把握很重要，長了短了都不合適。

QUIC 解決了上面的歧義問題。與 Sequence Number 不同的是，Packet Number 嚴(yán)格單調(diào)遞增，如果 Packet N 丟失了，那么重傳時 Packet 的標(biāo)識不會是 N，而是比 N 大的數(shù)字，比如 N + M，這樣發(fā)送方接收到確認(rèn)消息時就能方便地知道 ACK 對應(yīng)的是原始請求還是重傳請求。

1.6.4 ACK Delay

TCP 計算 RTT 時沒有考慮接收方接收到數(shù)據(jù)到發(fā)送確認(rèn)消息之間的延遲，如下圖所示，這段延遲即 ACK Delay。QUIC 考慮了這段延遲，使得 RTT 的計算更加準(zhǔn)確。

1.6.5 更多的 ACK 塊

一般來說，接收方收到發(fā)送方的消息后都應(yīng)該發(fā)送一個 ACK 回復(fù)，表示收到了數(shù)據(jù)。但每收到一個數(shù)據(jù)就返回一個 ACK 回復(fù)太麻煩，所以一般不會立即回復(fù)，而是接收到多個數(shù)據(jù)后再回復(fù)，TCP SACK 最多提供 3 個 ACK block。但有些場景下，比如下載，只需要服務(wù)器返回數(shù)據(jù)就好，但按照 TCP 的設(shè)計，每收到 3 個數(shù)據(jù)包就要“禮貌性”地返回一個 ACK。而 QUIC 最多可以捎帶 256 個 ACK block。在丟包率比較嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)下，更多的 ACK block 可以減少重傳量，提升網(wǎng)絡(luò)效率。

1.7 流量控制

TCP 會對每個 TCP 連接進(jìn)行流量控制，流量控制的意思是讓發(fā)送方不要發(fā)送太快，要讓接收方來得及接收，不然會導(dǎo)致數(shù)據(jù)溢出而丟失，TCP 的流量控制主要通過滑動窗口來實現(xiàn)的。可以看出，擁塞控制主要是控制發(fā)送方的發(fā)送策略，但沒有考慮到接收方的接收能力，流量控制是對這部分能力的補齊。

QUIC 只需要建立一條連接，在這條連接上同時傳輸多條 Stream，好比有一條道路，兩頭分別有一個倉庫，道路中有很多車輛運送物資。QUIC 的流量控制有兩個級別：連接級別（Connection Level）和 Stream 級別（Stream Level），好比既要控制這條路的總流量，不要一下子很多車輛涌進(jìn)來，貨物來不及處理，也不能一個車輛一下子運送很多貨物，這樣貨物也來不及處理。

那 QUIC 是怎么實現(xiàn)流量控制的呢？我們先看單條 Stream 的流量控制。Stream 還沒傳輸數(shù)據(jù)時，接收窗口（flow control receive window）就是最大接收窗口（flow control receive window），隨著接收方接收到數(shù)據(jù)后，接收窗口不斷縮小。在接收到的數(shù)據(jù)中，有的數(shù)據(jù)已被處理，而有的數(shù)據(jù)還沒來得及被處理。如下圖所示，藍(lán)色塊表示已處理數(shù)據(jù)，黃色塊表示未處理數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)的到來，使得 Stream 的接收窗口縮小。

隨著數(shù)據(jù)不斷被處理，接收方就有能力處理更多數(shù)據(jù)。當(dāng)滿足 (flow control receive offset - consumed bytes) < (max receive window / 2) 時，接收方會發(fā)送 WINDOW_UPDATE frame 告訴發(fā)送方你可以再多發(fā)送些數(shù)據(jù)過來。這時 flow control receive offset 就會偏移，接收窗口增大，發(fā)送方可以發(fā)送更多數(shù)據(jù)到接收方。

Stream 級別對防止接收端接收過多數(shù)據(jù)作用有限，更需要借助 Connection 級別的流量控制。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) - 已接收數(shù)據(jù)(highest received byte offset) ，而對 Connection 來說：接收窗口 = Stream1 接收窗口 + Stream2 接收窗口 + ... + StreamN 接收窗口 。

2. 總結(jié)

QUIC 丟掉了 TCP、TLS 的包袱，基于 UDP，并對 TCP、TLS、HTTP/2 的經(jīng)驗加以借鑒、改進(jìn)，實現(xiàn)了一個安全高效可靠的 HTTP 通信協(xié)議。憑借著 0 RTT 建立連接、平滑的連接遷移、基本消除了隊頭阻塞、改進(jìn)的擁塞控制和流量控制等優(yōu)秀的特性，QUIC 在絕大多數(shù)場景下獲得了比 HTTP/2 更好的效果。

一周前，微軟宣布開源自己的內(nèi)部 QUIC 庫 -- MsQuic，將全面推薦 QUIC 協(xié)議替換 TCP/IP 協(xié)議。

HTTP/3 未來可期。