简单聊聊更快、更稳、更高效的 QUIC 协议

QUIC的起源和发展

QUIC 与 TCP 和 UDP 的比较

QUIC 的主要特性

QUIC 的工作原理

QUIC 的应用场景

小结

QUIC（Quick UDP Internet Connections，快速 UDP 互联网连接）是一种基于 UDP 协议的传输层协议，由 Google 首次提出，并已在 IETF（互联网工程任务组）的标准化过程中得到发展。QUIC 的设计目标是减少网络通信的延迟，提高连接的可靠性，并改善多路复用的性能。QUIC是HTTP/3的基础，在提升 Web 性能方面有显著的作用。

QUIC的起源和发展

QUIC 是由 Google 在2012年开发的，目的是解决 TCP 协议在现代网络环境中的一些局限性。2013年，Google 在其 Chrome 浏览器中实现了 QUIC，并在其服务中广泛部署。随后，QUIC 被提交给 IETF 进行标准化，并在多个草案的迭代中不断完善。

QUIC 与 TCP 和 UDP 的比较

在深入了解 QUIC 之前，先简单看下 TCP 和 UDP 这两种传统的传输协议。

TCP（传输控制协议）：TCP 是一种面向连接的协议，提供可靠的数据传输服务。通过三次握手建立连接，使用流量控制、拥塞控制和重传机制来保证数据的顺序传输和完整性。但这些特性也导致了 TCP 在建立连接和恢复丢失数据包时存在延迟。
UDP（用户数据报协议）：UDP 是一种无连接的协议，允许数据包在没有事先建立连接的情况下发送。UDP 的开销较小，但不保证数据包的顺序、完整性或可靠性。

QUIC 结合了 TCP 的可靠性和 UDP 的低延迟特点，并引入了新的特性。

QUIC 的主要特性

快速建立连接：QUIC 减少了握手的往返次数。在最佳情况下，只需要一个往返时间（0-RTT）就可以建立连接并开始数据传输，这种机制可以大大减少连接建立的时间，提高数据传输的效率。
加密和身份认证：QUIC 协议内置了 TLS 1.3，提供了端到端加密，并在协议层面确保了数据的安全性。在建立连接时，客户端和服务器会交换密钥，用于后续的数据传输。还支持双向身份认证，以保证数据的安全性。
多路复用：QUIC 允许多个独立的数据流在同一个连接上并行传输，而不会互相干扰。这消除了 TCP 中的队首阻塞问题，提高了数据传输的效率。
流量控制和拥塞控制：QUIC 实现了自己的流量控制和拥塞控制算法。可以避免因为数据发送过快而导致的接收方缓冲区溢出；当网络拥堵时，会自动降低发送速率，以避免加剧网络拥堵，可以更高效地利用网络带宽，并在网络条件变化时保持连接的稳定性。
连接迁移：QUIC 支持连接迁移功能，即使客户端的网络环境发生变化（如更换IP地址），连接也能保持不中断。
前向纠错：QUIC 支持前向纠错（FEC），可以减少在丢包环境下的重传。
无状态重置：QUIC 提供了无状态重置功能，允许无法继续维持状态的服务器优雅地关闭连接。

QUIC 的工作原理

以下是 QUIC 工作原理的简要概述：

连接建立，当客户端与服务器建立连接时，会发送一个特殊的 QUIC 握手包，这个包包含了客户端支持的 QUIC 版本信息、客户端的传输参数以及 TLS 握手所需的信息。如果是 0-RTT 连接，客户端还可以在同一个握手包中发送加密的应用数据。服务器在收到握手包后，如果同意建立连接，会响应一个握手包，包含服务器的传输参数和 TLS 信息。一旦双方完成 TLS 握手，QUIC 连接就建立成功，双方就可以开始安全地交换应用数据了。
数据传输，在 QUIC 中，数据是通过独立的流进行传输的。每个流都是双向的，并且可以独立于其他流进行控制。这意味着如果一个流的数据包丢失，只会影响该流的数据传输，而不会阻塞其他流。
拥塞控制，QUIC 实现了自己的拥塞控制算法，如 Google 的 CUBIC 或 BBR，这些算法可以更有效地利用带宽，减少网络拥塞的影响。
连接迁移，QUIC 的连接是由连接ID（Connection ID）标识的，而不是传统的 IP 地址加端口号。即使客户端的网络环境发生变化（如 IP 地址改变），QUIC 连接也能保持稳定。
错误恢复，QUIC 有自己的错误恢复机制，能够快速识别丢包并进行重传，确认机制也比 TCP 更高效。
连接关闭，QUIC 允许立即关闭连接，不需要 TCP 那样经历 TIME_WAIT 状态，有助于资源的快速释放。