一泡尿的時間，快速讀懂QUIC協議

一、TCP協議到底怎麼了？

現時的互聯網應用中，Web平臺（準確地說是基於HTTP及其延伸協議的客戶端/服務器應用）的數據傳輸都基於 TCP 協議。

但TCP 協議在建立鏈接以前須要進行三次握手（以下圖 1，更詳細原理請見《理論經典：TCP協議的3次握手與4次揮手過程詳解》），若是須要提升數據交互的安全性，既增長傳輸層安全協議（TLS），還會增長更多的更多握手次數（以下圖 2）。

▲ 圖 1 - TCP的三次握手原理圖

▲ 圖 2  - TLS的初始化握手原理圖

正如上面兩張圖裏演示的原理，TCP 協議鏈接創建的成本相對較高。

因此，通常的穩定網絡傳輸都是經過TCP，可是在網絡基建自己就已經愈來愈完善的狀況下，TCP設計自己的問題便暴露了出來，特別是在弱網環境下，讓咱們不得不考慮一些新的可能性。

二、QUIC協議登場

和 TCP 相反，UDP 協議是無鏈接協議。客戶端發出 UDP 數據包後，只能「假設」這個數據包已經被服務端接收。這樣的好處是在網絡傳輸層無需對數據包進行確認，但存在的問題就是爲了確保數據傳輸的可靠性，應用層協議須要本身完成包傳輸狀況的確認。

此時，QUIC 協議就登場了。

QUIC 是 Quick UDP Internet Connections 的縮寫，谷歌發明的新傳輸協議。

與 TCP 相比，QUIC 能夠減小延遲。

QUIC 協議能夠在 1 到 2 個數據包（取決於鏈接的服務器是新的仍是已知的）內，完成鏈接的建立（包括 TLS）（以下圖3所示）。

▲ 圖 3  - QUIC 協議握手原理圖

從表面上看：QUIC 很是相似於在 UDP 上實現的 TCP + TLS + HTTP/2。因爲 TCP 是在操做系統內核和中間件固件中實現的，所以對 TCP 進行重大更改幾乎是不可能的（TCP 協議棧一般由操做系統實現，如 Linux、Windows 內核或者其餘移動設備操做系統。修改 TCP 協議是一項浩大的工程，由於每種設備、系統的實現都須要更新）。可是，因爲 QUIC 創建在 UDP 之上，所以沒有這種限制。QUIC 能夠實現可靠傳輸，並且相比於 TCP，它的流控功能在用戶空間而不在內核空間，那麼使用者就不受限於 CUBIC 或是 BBR，而是能夠自由選擇，甚至根據應用場景自由調整優化。

QUIC 與現有 TCP + TLS + HTTP/2 方案相比，有如下幾點主要特徵：

1）利用緩存，顯著減小鏈接創建時間；

2）改善擁塞控制，擁塞控制從內核空間到用戶空間；

3）沒有 head of line 阻塞的多路複用；

4）前向糾錯，減小重傳；

5）鏈接平滑遷移，網絡狀態的變動不會影響鏈接斷線。

從圖上能夠看出，QUIC 底層經過 UDP 協議替代了 TCP，上層只須要一層用於和遠程服務器交互的 HTTP/2 API。這是由於 QUIC 協議已經包含了多路複用和鏈接管理，HTTP API 只須要完成 HTTP 協議的解析便可。

有關QUIC的詳解請見：《技術掃盲：新一代基於UDP的低延時網絡傳輸層協議——QUIC詳解》。

三、QUIC協議的目標

QUIC 協議的主要目的，是爲了整合 TCP 協議的可靠性和 UDP 協議的速度和效率。

一張圖看懂QUIC協議的優點：

對於 Google 來講優化 TCP 協議是一個長期目標，QUIC 旨在建立幾乎等同於 TCP 的獨立鏈接，但有着低延遲，並對相似 SPDY 的多路複用流協議有更好的支持。 若是 QUIC 協議的特性被證實是有效的，這些特性之後可能會被遷移入後續版本的 TCP 和 TLS 協議（它們都有很長的開發週期）。

值得注意的是，雖然理論上來講，若是 QUIC 的特性被證實是有效的，這些特性之後可能會被遷移到後續版本的 TCP 協議中，但鑑於TCP協議長達幾十年在互聯網通訊裏的壟斷地位，以及這麼多年積累下來的沉重歷史報復，想要根本性地優化或改進TCP協議，難度至關大（或許，有些事情，只能是想一想而已，IPV6還喊了這麼多年呢，不是同樣沒普及。。。）。

四、QUIC協議這麼好，能夠大規模切換爲QUIC嗎？

理想和現實老是有必定的差距：雖然通過多年的推廣的應用，但QUIC協議目前仍未達到大量普及的階段，在 IETF上的QUIC 依然仍是草稿，而且還存在Google QUIC與IETF QUIC兩類不穩定的協定。

並且，QUIC還面臨如下挑戰：

1）小地方，路由封殺UDP 443端口（ 這正是QUIC 部署的端口）；

2）UDP包過多，因爲QS限定，會被服務商誤認爲是攻擊，UDP包被丟棄；

3）不管是路由器仍是防火牆目前對QUIC都尚未作好準備。

五、QUIC協議實踐

Chrome 瀏覽器從 2014 年開始已經實驗性的支持了 QUIC 協議。能夠經過在 Chrome 瀏覽器中輸入 chrome://net-internals/#quic 查看是否已經支持 QUIC 協議。若是還未支持，能夠在 chrome://flags/#enable-quic 中進行開啓。

開始 Chrome 瀏覽器對 QUIC 協議的支持以後，能夠在 chrome://net-internals/#quic 中查看到當前瀏覽器的 QUIC 一些鏈接。固然目前只有 Google 服務才支持 QUIC 協議（如 YouTube、 Google.com）。

Google 在 2015 年的一篇博文中分享了一些關於 QUIC 協議實現的結果，這些優點在諸如 YouTube 的視頻服務上更爲突出：用戶報告經過 QUIC 協議在觀看視頻的時候能夠減小 30% 的從新緩衝時間。

六、我想試試QUIC協議，能夠怎麼作？

目前支持 QUIC 協議的 web 服務只有 0.9 版本之後的 Caddy 。其餘經常使用 web 服務如 nginx、apache 等都未開始支持。

整個 QUIC 協議比較複雜，想本身徹底實現一套對筆者來講還比較困難。

因此先看看開源實現有哪些。

1）Chromium：

這個是官方支持的。優勢天然不少，Google 官方維護基本沒有坑，隨時能夠跟隨 chrome 更新到最新版本。不過編譯 Chromium 比較麻煩，它有單獨的一套編譯工具。暫時不建議考慮這個方案。

2）proto-quic：

從 chromium 剝離的一個 QUIC 協議部分，可是其 github 主頁已宣佈再也不支持，僅做實驗使用。不建議考慮這個方案。

3）goquic：

goquic 封裝了 libquic 的 go 語言封裝，而 libquic 也是從 chromium 剝離的，好幾年不維護了，僅支持到 quic-36， goquic 提供一個反向代理，測試發現因爲 QUIC 版本過低，最新 chrome 瀏覽器已沒法支持。不建議考慮這個方案。

4）quic-go：

quic-go 是徹底用 go 寫的 QUIC 協議棧，開發很活躍，已在 Caddy 中使用，MIT 許可，目前看是比較好的方案。

那麼，對於中小團隊或我的開發者來講，比較推薦的方案是最後一個，即採用 caddy 來部署實現 QUIC。caddy 這個項目本意並非專門用來實現 QUIC 的，它是用來實現一個免籤的 HTTPS web 服務器的（caddy 會自動續簽證書）。而QUIC 只是它的一個附屬功能（不過現實是——好像用它來實現 QUIC 的人更多）。

從Github的技術趨勢來講，有關QUIC的開源資源愈來愈多，有興趣能夠自已逐一研究研究：https://github.com/search?q=quic

七、本文小結

QUIC 協議開創性的使用了 UDP 協議做爲底層傳輸協議，經過各類方式減小了網絡延遲。

雖然目前 QUIC 協議已經運行在一些較大的網站上，但離大範圍普及還有較長的一段距離，期待 QUIC 協議規範可以成爲終稿，並在除了谷歌瀏覽器以外的其餘瀏覽器和應用服務器中也可以實現。

八、參考資料

《技術掃盲：新一代基於UDP的低延時網絡傳輸層協議——QUIC詳解》

《讓互聯網更快：新一代QUIC協議在騰訊的技術實踐分享》

《七牛雲技術分享：使用QUIC協議實現實時視頻直播0卡頓！》

Google的「 Next generation multiplexed transport over UDP」文檔：

 Next generation multiplexed transport over UDP.pdf (563.01 KB ） 

九、系列文章

本文是系列文章中的第10篇，本系列文章的大綱以下：

《網絡編程懶人入門(一)：快速理解網絡通訊協議（上篇）》

《網絡編程懶人入門(二)：快速理解網絡通訊協議（下篇）》

《網絡編程懶人入門(三)：快速理解TCP協議一篇就夠》

《網絡編程懶人入門(四)：快速理解TCP和UDP的差別》

《網絡編程懶人入門(五)：快速理解爲何說UDP有時比TCP更有優點》

《網絡編程懶人入門(六)：史上最通俗的集線器、交換機、路由器功能原理入門》

《網絡編程懶人入門(七)：深刻淺出，全面理解HTTP協議》

《網絡編程懶人入門(八)：手把手教你寫基於TCP的Socket長鏈接》

《網絡編程懶人入門(九)：通俗講解，有了IP地址，爲什麼還要用MAC地址？》

《網絡編程懶人入門(十)：一泡尿的時間，快速讀懂QUIC協議》（本文）

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