快速读懂 HTTP/3 协议

在 深入浅出:HTTP/2 一文中详细介绍了 HTTP/2 新的特性,比如头部压缩、二进制分帧、虚拟的“流”与多路复用,性能方面比 HTTP/1 有了很大的提升。与所有性能优化过程一样,去掉一个性能瓶颈,又会带来新的瓶颈。对HTTP 2.0而言,TCP 很可能就是下一个性能瓶颈。这也是为什么服务器端TCP配置对HTTP 2.0至关重要的一个原因。”

TCP 的限制

HTTP/3功能的核心是围绕着底层的QUIC协议来实现的。在讨论QUIC和UDP之前,我们有必要先列出TCP的某些限制,这也是导致QUIC发展的原因。

TCP可能会间歇性地挂起数据传输

如果一个序列号较低的数据段还没有接收到,即使其他序列号较高的段已经接收到,TCP的接收机滑动窗口也不会继续处理。这将导致TCP流瞬间挂起,在更糟糕的情况下,即使所有的段中有一个没有收到,也会导致关闭连接。这个问题被称为TCP流的行头阻塞(HoL)。

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TCP不支持流级复用

虽然TCP确实允许在应用层之间建立多个逻辑连接,但它不允许在一个TCP流中复用数据包。使用HTTP/2时,浏览器只能与服务器打开一个TCP连接,并使用同一个连接来请求多个对象,如CSS、JavaScript等文件。在接收这些对象的同时,TCP会将所有对象序列化在同一个流中。因此,它不知道TCP段的对象级分区。

TCP会产生冗余通信

TCP连接握手会有冗余的消息交换序列,即使是与已知主机建立的连接也是如此。

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QUIC 协议

这里先贴一下 HTTP/3 的协议栈图,让你对它有个大概的了解。

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QUIC协议在以下设计选择的基础上,通过引入一些底层传输机制的改变,解决了这些问题。

1)选择UDP作为底层传输层协议:在TCP之上建立新的传输机制,将继承TCP的上述所有缺点。因此,UDP是一个明智的选择。此外,QUIC是在用户层构建的,所以不需要每次协议升级时进行内核修改。

2)流复用和流控:QUIC引入了连接上的多路流复用的概念。QUIC通过设计实现了单独的、针对每个流的流控,解决了整个连接的行头阻塞问题。


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3)灵活的拥塞控制机制:TCP的拥塞控制机制是刚性的。该协议每次检测到拥塞时,都会将拥塞窗口大小减少一半。相比之下,QUIC的拥塞控制设计得更加灵活,可以更有效地利用可用的网络带宽,从而获得更好的吞吐量。

4)更好的错误处理能力:QUIC使用增强的丢失恢复机制和转发纠错功能,以更好地处理错误数据包。该功能对于那些只能通过缓慢的无线网络访问互联网的用户来说是一个福音,因为这些网络用户在传输过程中经常出现高错误率。

5)更快的握手:QUIC使用相同的TLS模块进行安全连接。然而,与TCP不同的是,QUIC的握手机制经过优化,避免了每次两个已知的对等者之间建立通信时的冗余协议交换。

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通过在QUIC之上构建基于HTTP/3的应用层,您可以获得增强型传输机制的所有优势,同时保留HTTP/2的语法和语义。但是,你也必须注意到,HTTP/2不能直接与QUIC集成,因为从应用到传输的底层帧映射是不兼容的。因此,IETF的HTTP工作组建议将HTTP/3作为新的HTTP版本,并根据QUIC协议的帧格式要求修改了帧映射。

除此之外,HTTP/3还使用了一种新的HTTP头压缩机制,称为QPACK,是对HTTP/2中使用的HPACK的增强。在QPACK下,HTTP头可以在不同的QUIC流中不按顺序到达。与HTTP/2中的TCP确保数据包的按顺序传递不同,QUIC流是不按顺序传递的,在不同的流中可能包含不同的HTTP头。因此,QPACK使用查找表机制对报头进行编码和解码。

因此想要了解 HTTP/3,QUIC 是绕不过去的,下面主要通过几个重要的特性让大家对 QUIC 有更深的理解。

QUIC 的特点 零 RTT 建立连接

用一张图可以形象地看出 HTTP/2 和 HTTP/3 建立连接的差别。

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