众所周知，TCP与UDP有三点不同：

  1. TCP是面向连接的，UDP是无连接的。
  2. TCP是可靠的，UDP是不可靠的。
  3. TCP是面向字节流的，UDP是面向报文的。

这使得二者有着不同的应用场景：

  • TCP适合需要可靠传输的应用，如HTTP、FTP等。
  • UDP适合对实时性要求高、对可靠性要求低的应用，如视频会议、在线游戏等。

那能不能在UDP上实现TCP的功能呢？结合UDP的速度和TCP的可靠。答案是肯定的。QUIC就是一个基于UDP的传输层协议，它实现了可靠传输、流量控制、拥塞控制等功能。

TCP的问题

TCP主要有以下四个问题，可以简单的记忆为“升延阻迁”：

  1. 升：TCP已经写到各种OS，升级工作很麻烦。
  2. 延：TCP的连接建立需要三次握手，连接关闭需要四次挥手，延迟较高。
  3. 阻：TCP没有解决接受窗口队头阻塞问题，一旦有报文没有确认，会导致窗口阻塞。
  4. 迁：TCP通过IP地址和端口号来标识一个连接，这在设备迁移时会导致连接中断。

QUIC是基于UDP实现的可靠传输协议，解决了TCP的这些问题，已经被应用在HTTP/3中。接下来逐一介绍QUIC的设计目标和实现细节，但首先来了解下TCP是怎么实现可靠传输的？

TCP的可靠传输

TCP的可靠传输主要是通过以下几个机制实现的：

  1. 确认和超时重传机制：解决丢包问题。
  2. 序列号机制：解决乱序和重复问题。
  3. 流量控制机制（滑动窗口）：匹配收发速率。
  4. 拥塞控制机制：适应网络状况。
  5. 校验和机制：保证数据完整性。
  6. 连接管理机制：确保可靠通道。

QUIC协议

QUIC协议的报文格式

QUIC协议报文在UDP头部和http报文之间，还有三层头部：

  • Packet Header：分为长包头和短包头，其中的包号是严格递增的，重传时也保证包号递增。（这里解决了TCP的重传歧义问题，并且支持乱序确认，避免发送窗口阻塞）
    • 长包头：用于连接建立和连接迁移，包含原目的连接ID、版本号、包号等信息。
    • 短包头：用于数据传输，包含目的连接ID、包号等信息。
  • QUIC Frame Header：一个Packet报文中可以存放多个QUIC Frame，QUIC Frame是QUIC协议的基本单位，类似于TCP的报文段。每一个类型的QUIC Frame的功能和格式都不同。比较常见的是Stream Frame。一个Stream相当于一条HTTP连接，包含流ID、偏移量、长度等信息。
    • Stream ID：多个并发的HTTP连接可以在一个QUIC连接中复用，Stream ID用于区分不同的HTTP连接。
    • Stream Offset：表示当前Stream的偏移量。类似序列号，保证顺序。
    • Stream Length：表示当前Stream的长度。
  • HTTP3 Frame Header

QUIC协议是怎么实现可靠传输的？

解决丢包、乱序重复问题需要三种机制：有序的编号、确认机制和重传机制。QUIC在Packet Header层面解决这些问题：

  • 有序的编号：QUIC的Packet Header中的包号是严格递增的，重传时也保证包号递增。这样就可以通过包号来判断是否丢包。QUIC的Stream Frame中也有Stream ID和Stream Offset，Stream ID用于区分不同的HTTP连接，Stream Offset用于判断当前Stream的偏移量。这样每个Stream帧也是有序的。
  • 确认机制：QUIC只进行包级别的确认：一旦接收方接受到一个包，会通过StreamID和Stream Offset来检查这个包的Stream帧是否丢失或完整，完整的Stream帧会被接受，组装到一起。如果这个包内的帧出现问题，接收方不会确认这个包。
  • 重传机制：发送方没有收到某一个包的确认帧，会把这个包重传，但是会保证包号递增。

QUIC协议是怎么解决队头阻塞问题的？

  • TCP队头阻塞：当TCP接收端没有接收到接受窗口第一个包时，窗口不能往后滑动。TCP发送端没有收到发送端的确认包时，窗口也不能往后滑动。这样就会导致发送端和接收端都阻塞。
  • HTTP/2队头阻塞：HTTP/2使用多路复用，把多个HTTP连接复用在一个TCP连接中，这个一个HTTP流的报文阻塞，会导致整个TCP窗口的队头阻塞。
  • QUIC解决队头阻塞：QUIC基于UDP，每个Stream独立维护发送和接受窗口，互不影响。每一个Stream是有可能出现队头阻塞的，但是QUIC不会导致整个连接的队头阻塞。

QUIC协议是怎么做流量控制的？

QUIC协议通过两个层面进行流量控制：

  • Stream层面：每个Stream维护自己的发送和接收窗口，互不影响。每个Stream的发送和接收窗口是独立的，互不影响。
  • 连接层面：接收方和发送方会告诉对端自己能接受的字节数，限制连接中所有Stream加起来的字节数。

QUIC协议是怎么做拥塞控制的？

  • 拥塞机制和TCP拥塞控制类似。
  • 更新迭代更快速、可以对应用做控制。

QUIC协议是怎么做连接迁移的？

QUIC不通过四元组来标记连接，而是通过连接ID来标记连接。TCP迁移的时候需要重新建立连接，而QUIC协议可以复用连接ID，避免重新建立连接。即使IP变化，QUIC也可以通过连接ID标记连接，只要迁移保留连接ID和密钥等上下文即可。

QUIC协议是怎么做连接管理的？

QUIC内部包含TLS，并且使用TLS 1.3，所以连接只需要一个RTT。具体怎么样，后面再分析吧。

总结

QUIC总体来说有几个特点：包号严格增长，流ID和流偏移量标记帧在流中的位置，解决TCP队头阻塞问题，每个Stream维护自己的窗口、连接管理只要一个RTT，连接迁移不用重新建立连接。