QUIC是什么
随着HTTP3标准的发布，HTTP3基于的QUIC协议使用越来越广泛。
发展过程
QUIC发展过程如图所示：
重点是分为了2个分支：gQUIC和iQUIC，
两者的区别主要在于安全传输层的差异，gQUIC使用了自定义安全机制，iQUIC使用了TLS协议。
下面的介绍，都是特指iQUIC。
协议模型
协议模型如下图所示：
QUIC基于UDP协议，
一对客户端和服务端可以有多个连接Connection,
每个连接Connection都有各自的Connection ID，
一个Connection中包含多个stream流，
stream有各自的stream ID。
从图中我们可以看出：
- TCP、UDP、IP都是在内核实现的，想要修改或者扩充的话是比较麻烦的
- QUIC在用户级实现，而不是系统内核级，所以无需改变操作系统和中间设备，就能轻松实现和部署
特点
QUIC是由Google首先提出的基于UDP的传输协议，
它是一个安全通用的应用层协议，它面向连接，在客户端及服务端之间建立有状态的交互。
TCP的缺点
TCP协议是目前计算机网络通信中最流行的协议之一。但是，随着网络环境的变化，TCP愈发显露出一些缺点。在介绍缺点前，先了解一些名词。
名词解释
BDP
bandwidth-delay product，即带宽时延积。带宽时延积 = 传播时延(s)*带宽(bit/s) 。
等同在任何特定时间该网络线路上的最大数据量------已发送但尚未确认的数据。
TCP拥塞控制
TCP是基于丢包的拥塞控制，发生超时重传或者收到3个重复确认，就会触发拥塞算法，减小拥塞窗口。
最大发送窗口(swnd)=min(远端剩余接收窗口rwnd，本地发送窗口swnd，拥塞窗口cwnd) 。
AIMD
additive increase multiplicative decrease，即和式增加，积式减少，是TCP的拥塞控制算法。
特点是，拥塞窗口的大小增加慢（和式增加），减小很快（积式减少）。
RTT
Round-Trip Time，即往返时间。
是指从数据完全发送完（完成最后一个bit推送到数据链路上），到发送方接收到确认的时间。
队头阻塞
Head-of-Line blocking或HOL blocking。是指第一个数据包（队头）受阻而导致整列数据包传输受阻。
TLS
Transport Layer Security，即传输层安全协议。
HTTPS中的"s"就是指TLS，它是基于TCP的协议。常见的有TLS1.2、TLS1.3。
DTLS
Datagram Transport Layer Security，即数据包传输层安全协议。
基于TLS扩展，支持UDP协议，DTLS1.0 基于 TLS 1.1，DTLS 1.2 基于 TLS 1.2 。
缺点说明
高BDP下的低效
这个问题是TCP的拥塞控制机制引起的。
在高BDP（带宽时延积）网络（如高速广域网）下，TCP协议发送效率低下。
以前网络环境差，TCP为了适配低速网络，设计上偏向于慢慢地控制网络中的数据流量变大，来防止整个网络的拥塞。
TCP的拥塞控制算法AIMD会"和式增加，积式减少"，导致拥塞窗口快速减小后，不能快速增大，最终减少了发送窗口大小，降低了发送速率，浪费了高BDP的网络资源。
带宽分配不公平
这个问题仍然是TCP的拥塞控制机制引起的。
TCP带宽分配不均，RTT（往返时间）较小的占用较大的带宽。因为TCP的每轮RTT后，CWND（拥塞窗口）会增加，因此，RTT较小的，CWND就大，发送窗口也相应变大。
高延时
TCP的高延时主要是由队头阻塞引起的。
基于TCP的HTTP协议，有更多的队头阻塞问题，参见名词解释中的"1.5 队头阻塞"。
在HPPT/2的队头阻塞问题
对于HTTP2来讲，一个TCP连接中有多个stream，而且每个stream之间是有依赖性的，如果丢失其中一个stream的数据，会阻塞后续的stream
TCP确保将数据按顺序上交应用层，在出现数据报文段丢失时，后续数据必须缓存，等待丢失的报文端重传到达之后再按顺序上交
这样的话就会使得页面加载时间长，用户的使用体验较差
QUIC强大之处
上面介绍了现有网络的一些问题，而QUIC这一新型协议都很好地提供了相关的解决方案
接下来我们就来看一下QUIC到底强在哪里
功能1：流复用
在一个网页里面总是会有多个数据要传输，我们总是希望多个数据能够同时传输，以此来提高用户的体验
在HTTP1.1中：
- 每个TCP连接同时只能处理一个请求---响应，为了提高响应速度，需要同时创建多个连接，但是多个连接管理比较复杂
在HTTP/2中：
- 每个TCP连接里面有多个逻辑上独立的多个流（stream）
- 每个流可以传输不同的文件数据
- 解决了HTTP1一个连接无法同时传输多个数据的问题
- 缺点：容易出现队头阻塞问题
而在基于QUIC的HTTP3中：
- 借鉴了HTTP2中流的概念
- 流之间互相独立，即不同流之间的数据之间交付顺序无关（如果stream2的数据丢失，只会影响排在stream2后面的数据，stream1和stream2的数据不会被影响）
- 建立在UDP之上，没有依赖性
功能2：连接建立低时延
QUIC连接建立所需时间比TCP更低
在客户端与服务端的首次QUIC连接中，Client 向 Server 发送消息------>请求传输配置参数和加密相关参数------>Server 回复其配置参数------>传输数据
整个过程只需要1RTT
TCP+TLS1.2 中：TCP三次握手建立连接，1RTT------>TLS需要两个个RTT完成身份验证------>传输数据
整个过程只需要3RTT
TCP+TLS1.3 中：TCP三次握手建立连接，1RTT------>TLS需要一个RTT完成身份验证------>传输数据
整个过程只需要2RTT
由此可见，首次连接中，使QUIC连接所需的时延是最少的
关于再次连接的概念，我先说明一点：Client已经访问过Server，在本地存放了Cookie
在客户端与服务端的再次QUIC连接中，只需0RTT。因为 Client 本地已有 Server 的全部配置参数（缓存）,据此计算出初始密钥，直接发送加密的数据包
TCP+TLS1.2 中：TCP三次握手建立连接，1RTT------>TLS需要一个RTT完成身份验证（由于缓存的存在，减少1RTT）------>传输数据
整个过程只需要2RTT
TCP+TLS1.3 中：TCP三次握手建立连接，1RTT------>传输数据
整个过程只需要1RTT
我们不难发现：无论是首次连接还是再次连接，使用QUIC协议所需的连接时延都是最低的
功能3：无队头阻塞
在上面我们讲到，HTTP/2会出现队头阻塞问题，而在基于QUIC的HTTP/3中则很好地解决了这一问题
- UDP中的各个数据报独立，基于UDP的QUIC中的各个stream独立
- 即使stream2里有一个包丢失，因为stream之间互相独立无关联，所以不会阻塞stream3、stream4，依然可以交付给上层
功能4：灵活的拥塞控制机制
TCP 的拥塞控制实际上包含了四个算法：慢启动，拥塞避免，快速重传，快速恢复
而在QUIC中，拥塞控制算法默认使用CUBIC
并且这个机制还是可插拔的，什么叫可插拔呢？就是能够非常灵活地生效，变更和停止，可以根据场景来切换不同的方法
因为QUIC在用户空间实现，容易实现。应用程序不需要停机和升级就能实现拥塞控制的变更，我们在服务端只需要修改一下配置，reload 一下，完全不需要停止服务就能实现拥塞控制的切换
而TCP在内核态，其拥塞控制难以进行修改和升级
功能5：流级和连接级流量控制
在QUIC中，可以实现流级和连接级别的流量控制机制
连接级流量控制：针对整个连接
1、通过 window_update 帧告诉对端自己可以接收的字节数，这样发送方就不会发送超过这个数量的数据
2、通过 Block Frame 告诉对端由于流量控制被阻塞了，无法发送数据
流级流量控制
1、防止一个流消耗过多缓存而导致其他流堵塞
2、每个流会有一个可用窗口，如果一个流的可用窗口不足的话它就必须等待，而不是去占用其他流的可用窗口
3、不让一个流影响到其他流
功能6：连接迁移
我们在日常生活中肯定会经常碰到下面这个场景：
使用WIFI上网的时候突然网络不好，于是切换成移动数据模式；又或者没有流量上不了网，于是连接WIFI
我们使用手机在 WIFI 和 4G 移动网络切换时，客户端的 IP 肯定会发生变化，需要重新建立和服务端的 TCP 连接**
而如果是QUIC连接，则无需重新建立，因为QUIC连接是以一个64位的随机数作为ID（connection ID）
IP地址或者端口号发生变化时，只要ID不变，依然能够维持原有连接，上层业务逻辑感知不到变化，不会中断
功能7：数据包头和包内数据的身份认证和加密
在TCP协议中，TCP 协议头部没有经过任何加密和认证，所以在传输过程中很容易被中间网络设备篡改，注入和窃听。比如修改序列号、滑动窗口。这些行为有可能是出于性能优化，也有可能是主动攻击
而相比于TCP，QUIC的安全性是内置的，也就是说是必须的
在恶意环境下性能与TLS类似，友好环境下优于TLS，因为TLS使用一个会话密钥，如果这个密钥被截获的话就不能保证之前数据的安全性
而QUIC使用两个密钥------初始密钥和会话密钥，并且QUIC提供密码保护，TLS不提供
除此之外，QUIC的包头经过身份认证，包内数据是加密的。这样如果QUIC数据被恶意修改的话接收端是可以发现的，降低了安全风险
而且数据加密之后，可以通过像防火墙或者nat这些中间件
其他
此外，QUIC 还能实现前向冗余纠错，在重要的包比如握手消息发生丢失时，能够根据冗余信息还原出握手消息。
QUIC 还能实现证书压缩，减少证书传输量，针对包头进行验证等