基于quic协议开源代码（QUIC传输协议）

文章翻译自：https://devopedia.org/quic

QUIC 是一种传输层协议，旨在提供一种可选替代TCP的传输方案。QUIC基于UDP之上实现，使用TLS1.3保障传输负载安全传输，最初为HTTP场景设计的，后来扩展到其他的各种用例场景，基于QUIC传输之上的HTTP通常被称为HTTP3。

QUIC针对TCP作了多方面的改进：更快的连接建立、减少线路阻塞、更好的拥塞控制、改进隐私保护及流完整性。虽然大部分测试结果QUIC性能更优，但是某些场景下TCP的性能依然可能更优。

QUIC正在被IRTF标准化，截至2021年1月QUIC所有的草案还没有形成一个标准，目前QUIC有多种语言多种实现，大约5%的网络服务器在互联网上使用QUIC。

1. QUIC的目标是解决TCP/IP网络协议栈的哪些问题？

传统每个HTTP连接单独使用TCP连接，但是TCP连接建立需要三次往返时间(RTT)：第一次连接需要1次RTT，TLS安全需要2次RTT。对于短数据包传输握手延迟(多次RTT)收到影响较大。

HTTP2允许多个HTTP流共享一个TCP连接来缓解TCP连接问题，多个HTTP流可以并行交换数据，但是由于一个TCP连接，数据包丢失将会阻碍所有HTTP流(Head-of-Line blocking，队头阻塞)，除非改变传输层否则这个问题无法解决，随着移动互联网发展，越来越多的网络流量来自有损的移动网络设备，这个问题越发严重。

2. QUIC的核心特性有哪些？

QUIC的特性来源于克服TCP/IP的限制：

• 连接建立：使用0-RTT设置与已知服务器连接，连接建立的时间仅在新加密秘钥交换或版本协商时增加，通过结合加密和传输握手连接建立时间更短；
• Stream流多路复用：通过在UDP上多路复用QUIC流来克服队头阻塞问题，QUIC的数据包丢失仅会影响该数据包的流；
• Flow流控制：接收方可以指定总字节数让发送方在每个流和跨流发送；
• 拥塞控制：QUIC位于用户态而非内核态，可以快速更新拥塞算法，不同的应用程序可能会使用不同的拥塞算法，QUIC已经集成CUBIC和BBR算法，RTT估计也更优秀；
• 连接迁移：即使底层客户端IP地址变化，连接也会保持，这种变化在移动客户端很常见，如WIFI和蜂窝网络的切换。

FEC前向纠错和ACK熵在QUIC的早期版本中存在，后来由于维护成本大于收益被删除。

3. TCP/IP的问题是不是已经被TFO和SCTP解决了？实际上TLC Snapstart和TCP Fast Open(TFO)，可以缩短连接建立时间，QUIC也是受这些技术的启发。流控制传输协议(SCTP)可以在传输层进行多路复用，然而网络中间设备干扰端到端原则，为了优化网络，网络运营商需要干扰TCP报头，丢弃数据包或跟踪连接，防火墙阻止不熟悉包，NAT重写传输头，这些都使得互联网上引入TFO或SCTP等变更变的困难，这种情况通常称为网络骨化，QUIC也会出现网络骨化，针对这点，QUIC对大部分协议信息进行加密，包括QUIC数据包头的一些字段，中间商无法了解更多的内容，也无法尝试以非标准方式优化交付，长期来讲QUIC的发展不用担心网络中间设备是否支持这些变化，QUIC语义仍然是端到端的。
4. QUIC，gQUIC，iQUIC都是什么？QUIC于2012年由谷歌创立，IETF在2016年开始标准化，但截止至2021年1月依然是一个草案，与此同时很多QUIC的实现已经出现，一些支持谷歌的QUIC，一些专注于IETF的QUIC。对于谷歌的QUIC被称为gQUIC，iQUIC被称为IETF的QUIC、gQUIC被指定为一个整体，IETF QUIC更加模块化，核心的QUIC传输、带TLS的QUIC、拥塞控制、报头压缩、HTTP映射到QUIC、版本协商都是独立的IETF草案。gQUIC的加密握手被称为QUIC加密，这启发了QUIC中使用TLS 1.3的创建。客户端和服务端可以支持多个版本，并在连接建立过程中进行版本协商，版本号0x00000001~0x0000ffff为标准保留。
5. QUIC中的一些基本术语？Stream：一种轻量级的有序字节流抽象，流可以是单向的，也可以是双向的，可以由任一端点创建，流是有优先级的，优先级由程序设定；Frame：一种结构化的信息单元(帧)，有很多的帧类型，其中只有一些传输流，每帧一个流，其他的帧用于控制；Packet：一个完整的QUIC可处理单元，多个数据包可以在同一UDP数据报的一部分，数据包具有机密性和完整性保护，一个数据包可以包括多个Stream流，但数据包丢失会阻止其所有流进行重传，一个数据包承载较少的流比较好，数据包的载荷是一个或多个帧的序列，数据包的编号永远不会在连接中重复使用，即使是在重传过程中；Header：头是QUIC数据包的一部分，Header可以是long(4 Types)或short(1 Type)，一些Header是加密的；Connection：客户端和服务端直接的共享状态，连接两端，连接参数在握手过程中协商，连接ID有助于正确的数据包传输，即使底层的地址发生变化。
6. 对QUIC有哪些批评？我们注意到对QUIC的这些批评和担忧(随着QUIC的成熟，可能会被克服)：安全性：对UDP的网络攻击很常见，一些企业和运营商会阻止UDP流量，但目的端口53的DNS流量除外，0-RTT可能错误地用于重放攻击，这对非幂等性请求可能是个问题。QUIC流量不会被防火墙识别或分析；网络控制：用于传输层报头是加密的，网络运营商无法优化网络以管理拥塞。例如他们不知道数据包是ACK还是重传，估计RTT更困难，唯一的措施似乎是自旋位和IP级的显式拥塞通知(ESN)；性能：与TCP相比UDP实现性能低，QUIC占用了太多的CPU时间，低端智能手机和物联网设备将受到影响；延迟：只有负载均衡保持状态并路由到同一服务器时，0-RTT才起作用，由于多个版本可以并存，每个版本协商需要额外的RTT；公平性：由于QUIC位于用户态，应用程序和服务器可以实施更积极的拥塞控制算法，这对非QUIC连接不公平。
7. 你能对比QUIC和TCP/IP的性能？

在一项研究中，由于0-RTT的快速的丢失恢复，gQUIC在桌面环境中的性能优于TCP HTTPS，在波动的带宽中，由于更好的ACK处理及更准确的RTT估计，QUIC表现更好。然而QUIC对传输乱序很敏感，认为这是丢包。QUIC在智能手机上更差，因为它在用户态运行，处理大量的小数据包的能力较差，这对TCP也不公平，因为QUIC消耗的带宽超过了它所占的份额。

Researchers at RWTH Aachen University比较TCP TLS1.3 HTTP2与gQUIC在不同网络条件下的性能对比，TCP参数进行微调，在有损网络上，QUIC表现更好，在另一测试中，浏览网页的性能没有太大的区别，他们评论到微调TCP可能就足够了。

Fastly的实验表明，由于用户态和内核态之间的昂贵内存拷贝，QUIC的性能很差，然而他们通过延迟ACK(一个QUIC的扩展)，使用名为通用分段卸载(GSO)的Linux功能以及增加最大传输单元MTU长度来匹配TCP的性能

8. 有哪些资源开始使用QUIC？IETF的QUIC WG网页是追踪最新标准化或下载最新版本的文件的地方(https://quicwg.org/)。Chromium的QUIC项目页面值得一读，FAQ展示如何用Chrome测试QUIC服务器或构建独立的QUIC服务器和客户端。Chrome浏览器默认启用QUIC，在其他流行的浏览器中可以通过设置特定的配置标志来启用HTTP3和QUIC。实施者可以通过加入quicdev Slack通道来协调互操作测试，QUIC已经有很多的实现，它们的列表保持在QUIC工作组的wiki和维基百科上，互操作矩阵也可在线获取。我们注意到其中一些实现：Chromium (C/C )、ngtcp2(C)、nginx(C)、quic go(go)和quicker(NodeJS/TypeScript)。2018年，有人评论说只有一些实现支持所有的高级功能，很少有人将HTTP/3映射到QUIC。
9. 你能分享一些调试QUIC流量的工具吗？

可以在Chrome中捕获QUIC流量并进行离线分析，另一个工具是Wiresharke，由于数据包是加密的所以可以加载SSL秘钥，然后解密数据包，CellStream发布了Wiresharke的gQUIC和IETF QUIC配置文件。

跨QUIC版本的多种实现可能会导致次优化性能，甚至出现错误的行为，由于传统网络分析工具被调整为TCP，因此需要新的工具，哈塞尔大学已经创造了有用的工具来分析QUIC流量。

爱立信的Spindump是一种利用QUIC的Spin位计算单个连接和聚合的RTT的工具，它是由C编写，支持TCP、QUIC、COAP、DNS、ICMP和SCTP流量，它也是可以与其他程序链接的库。

2012

谷歌在SPDY协议上的工作成为IETF标准化HTTP/2的起点，此前谷歌通过构建自己的运营商级网络和CDN对物理层进行了改进。虽然HTTP/2允许多个HTTP会话共享一个TCP连接，但是单个数据包丢失会影响该连接上的所有会话，这成为了推动传输层进行创新的动力，从而启动了QUIC的工作。

2013 6月

谷歌工程师Roskind将QUIC的设计文档公开。他指出RTT受光速的限制，它在移动网络上很关键，充其量我们可以尝试减少RTT的数量，QUIC就是这样提议的，他指出原型实现已经为现实世界的实现做好了准备。

2014 7月

Wireshark 1.12.0 版本发布，该版本引入了对谷歌QUIC的支持，2020年8月，有报道称Wireshark对谷歌gQUIC和IETF QUIC的支持依然在发展中。

2016 6月

IETF 接收QUIC 作为互联网草案，QUIC于2015年6月向IETF提出申请，IETF还将该协议从最初的扩展基于UDP的快速互联网连接形式命名为simply QUIC，因此，QUIC不应该被视为首字母的缩写，QUIC工作组于10月成立，11月发布名为QUIC：基于UDP的多路复用的安全传输的互联网草案00版本。

2018 1月

在一次采访中，我们了解到3GPP核心网络和终端(CT)工作组正在与IETF就如何在5G网络中采用QUIC进行对接。QUIC可能被考虑用于5G R16版本，3GPP对协议头被加密表示担忧，因此，他们向IETF提出来自网络供应商的需求，这些供应商通常希望更多地了解他们承载的流量，与此同时，据Openwave Mobility报道，在30家移动运营商的网络上，超过20%的视频流量使用QUIC，YouTube是这种增长的一个重要原因。

2018 10月

在IETF中，HTTP/3是HTTP over QUIC的新名称，也被称为HTTP/2 over QUIC，本质上，它是HTTP语义在QUIC上的映射，它的wire格式与HTTP/2不兼容。IETF互联网草案第17版本名为HTTP/3，于12月发布。

2019 5月

Uber的工程团队报告称，QUIC的表现优于TCP，他们使用Android的Cronet网络库，他们发现，在生产应用中，即使在低连通网络上，QUIC也将终端延迟降低10~30%，尾端延迟对Uber来说是个大问题，几乎是中值的6倍。

2020 10月

除谷歌的QUIC(Q050)，谷歌Chrome浏览器还包括IETF的QUIC(v29)，然而IETF QUIC 0-RTT还不受支持，谷歌声称IETF QUIC优于HTTP，优于TLS1.3，更优于TCP。谷歌搜索延迟减少2%，Youtube拒绝时间减少9%，客户端吞吐量增加了3%(桌面)和7%(移动)。谷歌还指出QUIC拥有谷歌三分之一的流量。

2020 12月

W3Techs 收集的数据显示，大约5%的web服务器使用QUIC，这一比例已从1月份的2.8%左右上升，在所有的QUIC网站中，大约80%左右使用LiteSpeed服务器。

2021 1月

IETF draft version 29 of QUIC is widely supported. Source: Netray 2021.

netray.io每周扫描一次，显示IETF的第29版本QUIC草案得到了广泛的支持，第29版于2020年6月发布，最新版本是2021年1月初步的第34版本。

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