【学习笔记】QUIC

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一、介绍

传统的互联网多采用TCP + TLS组合来实现可靠传输与加密保护。然而,这种"分层"处理方式在连接建立时需要多次往返(TCP 三次握手 + TLS 一到两次握手),并且在 HTTP/2 多路复用场景下仍会遭遇 TCP 层的队头阻塞(Head-of-Line Blocking)。

为了突破这些瓶颈,Google 自 2012 年起在 Chrome 和其服务器生态中开始试验一种基于 UDP 的新协议,初名 QUIC,并在 2013 年向 IETF 提交草案,旨在将可靠传输与安全加密紧密集成,从而实现更低的延迟和更高的并发效率。

QUIC(Quick UDP Internet Connections)由谷歌发起的一种传输层协议。它基于UDP实现多路复用、内置加密,将连接建立与安全协商合并为一次握手,降低了网络延迟和拥塞影响。

二、核心特性

  1. 基于UDP的多路复用
    QUIC 在单个 UDP 端口上为每个逻辑流(stream)分配独立的标识与流控制,模拟 TCP 的可靠传输功能,却不会受到同一连接中其他流丢包的影响,消除了 HTTP/2 over TCP 上的队头阻塞问题。
  2. 0-RTT 与 低延迟握手
    借助 QUIC 与 TLS 1.3 集成,客户端在首次握手完成后可缓存"预主密钥"(pre-shared key),在后续连接时无需完整握手即可发送加密数据,支持 0-RTT,显著减少连接延迟。
  3. 内置路径迁移支持
    QUIC 支持在客户端网络环境变化时(如从 Wi-Fi 切换到蜂窝网络)保持连接状态,传统 TCP 连接则需重新建立。
  4. 用户态拥塞控制
    与 TCP 在内核态实现拥塞控制不同,QUIC 的拥塞和丢包检测算法均可在用户态快速更新和部署,有利于更灵活的优化和扩展。

三、QUIC协议结构

QUIC的协议结构包括以下几个部分:

  • 连接标识(Connection ID): 用于在不同网络路径上路由数据包时仍能识别同一连接。

  • 帧(Frames)与包(Packets): QUIC 将数据映射为帧,嵌入到 UDP 包中传输;每个包可携带多个流的数据帧,并附带加密的包头和包体。

  • 流控制(Flow Control)与重传机制: 类似于 TCP,但针对每个逻辑流而不是整个连接实施流量和拥塞管理。

  • 加密层: QUIC 不像 TCP + TLS 那样分层,而是将 TLS 握手和记录层集成到协议首部,通过 RFC 9001 规定的方式完成密钥协商和加密。

在连接建立阶段,客户端发送包含 TLS ClientHello 的初始包,服务器在回应中返回 TLS ServerHello 及证书,并同时确认网络参数。完成这一次往返(1-RTT)即可开始加密数据传输。对于后续重连,可利用先前协商的密钥实现 0-RTT 传输。

四、实际应用

  • 浏览器与 CDN

    Google、Facebook、Cloudflare 等公司率先将 QUIC 部署到公有服务中。截至 2023 年底,QUIC 流量已占 Google 服务器连接的一半以上,并在 CDN 网络中广泛启用 HTTP/3。

  • 移动应用

    Android 的 Cronet 库和 iOS 的 URLSession 已支持 QUIC,可为移动端应用提供更低的首包延迟和更可靠的网络连接。

  • 企业服务

    Microsoft 在 Windows Server 2022 中支持 SMB over QUIC,为企业文件共享提供了无需 VPN 的安全隧道。其他如 DNS-over-QUIC、XMPP over QUIC 等新兴协议也在标准化或试验阶段。

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