网络协议 之 QUIC

一、 QUIC 是什么？为什么需要它？

1. TCP：可靠、有序，但建立连接慢（三次握手），存在“队头阻塞”问题。

2. UDP：无连接、快速、不可靠，但简单灵活。

• 建立连接延迟高：TCP 三次握手 + TLS 加密握手 = 至少 2-3 个 RTT（往返时间）才能开始传输数据。

• 队头阻塞：在同一个 TCP 连接中，如果有一个数据包丢失，后续的所有数据包都必须等待这个丢失的包重传成功，即使它们属于不同的 HTTP 请求。

• 网络迁移问题：你的手机从 WiFi 切换到 4G/5G 时，IP 地址变了，所有的 TCP 连接都会中断，需要重新建立。

二、 QUIC 的核心特性与优势

1. 极快的连接建立（0-RTT 或 1-RTT）

• 首次连接（1-RTT）：QUIC 将加密和传输握手合并在一起。首次连接时，客户端发送一个包含“客户端你好”的初始数据包，服务器回复即可完成密钥交换和连接建立，仅需 1 个 RTT。相比之下，TCP+TLS 需要 2-3 个 RTT。

• 再次连接（0-RTT）：如果客户端之前连接过某个服务器，它可以直接在第一个数据包中就携带应用数据（如 HTTP 请求），实现 0-RTT 的延迟。这极大地提升了网页加载等场景的速度。

2. 彻底解决队头阻塞

• 每个 HTTP 请求/响应都可以在自己的流上传输。

• 即使流 A 的一个数据包丢失了，需要重传，也只会阻塞流 A 自身。

• 流 B、流 C 的数据包可以继续被处理和交付给应用层。

• TCP 像一条单车道隧道，一辆车（数据包）抛锚，后面所有车都得等着。

• QUIC 像一条多车道高速公路，一条车道发生事故，其他车道的交通不受影响。

3. 无缝的连接迁移

• 当你的网络切换（如 WiFi -> 5G），IP 地址改变时，QUIC 连接可以保持不断。

• 应用程序（如视频通话、在线游戏）完全感知不到网络底层的变化，用户体验无缝衔接。

4. 前向纠错

5. 原生加密与安全

• 几乎所有的 QUIC 数据包头部和载荷都是加密的。

• 它使用 TLS 1.3 作为其加密基础。

• 加密不仅保证了隐私，还防止了中间网络设备（如路由器、防火墙）的篡改和协议僵化。

三、 QUIC 与 HTTP/3 的关系

• QUIC：是一个传输层协议，可以看作是“TCP 2.0”。它不仅可以承载 HTTP，未来还可以承载其他应用层协议（如 DNS over QUIC）。

• HTTP/3：是 HTTP 协议的一个新版本，它将 HTTP 的语义（请求、响应、头部等）映射到 QUIC 之上。

四、 工作流程简图

flowchart TD
    subgraph A [HTTP/1.1]
        A1[连接1 请求1]
        A2[连接1 请求2<br>（等待请求1响应）]
    end

    subgraph B [HTTP/2]
        B1[“流1 帧1（丢失）”] --> B2[流2 帧1]
        B2 --> B3[流1 帧1（重传）]
        B3 --> B4[流2 帧2<br>（被队头阻塞）]
    end

    subgraph C [HTTP/3 over QUIC]
        C1[“流1 包1（丢失）”] --> C2[流2 包1]
        C2 --> C3[流2 包2]
        C3 --> C4[流1 包1（重传）]
    end

    A --> B --> C

五、 挑战与现状

• 部署与支持：需要客户端和服务器同时支持。目前主流浏览器（Chrome, Firefox, Edge, Safari）和大型网站（Google, Facebook, Cloudflare）都已支持 HTTP/3。

• 网络中间件干扰：一些旧的网络设备（如防火墙）可能会错误地处理或阻止不常见的 UDP 流量。

• CPU 开销：由于在用户空间实现且全部加密，QUIC 的 CPU 消耗目前略高于 TCP。

总结