为什么HTTP/3要基于UDP?可靠吗?
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HTTP/3
竟然是基于UDP
的!开始我也很疑惑,UDP
传输不可靠,没有拥塞机制,究竟怎么操作呢?
先说解决方案:
QUIC(Quick UDP Internet Connection)是谷歌制定的一种基于UDP的低时延的互联网传输层协议 !
QUIC很好地解决了当今传输层和应用层面临的各种需求,包括处理更多的连接,安全性,和低延迟。
前言
有关于 TCP 和 UDP “连接”这个词,是一个逻辑中的“虚拟”的概念,是为了方便我们的学习理解。
UDP的无连接,TCP的连接,唯区别是,UDP把只管发送,TCP每次都对发送的数据进行ACK确认。
这部分代码是放在传输层,还是放在应用层,这都关系不大。
QUIC是可以独立于操作系统发行的,避免了操作系统缓慢的更新换代问题。
QUIC依然要面对消息的可靠性、滑动窗口、拥塞控制等问题,你可以认为它就是一个TCP(但是本质不一样)。
Chromium 官方宣布 Chrome正在部署到 HTTP/3 与IETF QUIC。
为什么转用UDP?
因为TCP本身非常复杂,并且有太多历史遗留的包袱。
TCP协议,目前已经被编码到了操作系统,不论是协议升级,还是Bug修复,都是一个大工程。
选择了UDP
, UDP是一张白纸,它只是IP协议的一个编程接口。
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HTTP3创造出Connection ID概念实现了连接迁移,通过融合传输层、表示层,既缩短了握手时长,也加密了传输层中的绝大部分字段,提升了网络安全性。
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HTTP3在Packet层保障了连接的可靠性,在QUIC Frame层实现了有序字节流,在HTTP3 Frame层实现了HTTP语义,这彻底解开了队头阻塞问题,真正实现了应用层的多路复用。
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QPACK使用独立的单向Stream分别传输动态表编码、解码信息,这样乱序、并发传输HTTP消息的Stream既不会出现队头阻塞,也能基于时序性大幅压缩HTTP Header的体积。
HTTP/3解决了那些问题?
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HTTP3基于UDP协议重新定义了连接,在QUIC层实现了无序、并发字节流的传输,解决了队头阻塞问题(包括基于QPACK解决了动态表的队头阻塞);
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HTTP3重新定义了TLS协议加密QUIC头部的方式,既提高了网络攻击成本,又降低了建立连接的速度(仅需1个RTT就可以同时完成建链与密钥协商);
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HTTP3 将Packet、QUIC Frame、HTTP3 Frame分离,实现了连接迁移功能,降低了5G环境下高速移动设备的连接维护成本。
队头阻塞问题
HTTP2协议基于TCP有序字节流实现,因此应用层的多路复用并不能做到无序地并发,在丢包场景下会出现队头阻塞问题。
HTTP3采用UDP作为传输层协议,重新实现了无序连接,并在此基础上通过有序的QUIC Stream提供了多路复用。
QPACK编码
与HTTP2中的HPACK编码方式相似,HTTP3中的QPACK也采用了静态表、动态表及Huffman编码。
HTTP/2 没使⽤常⻅的 gzip 压缩⽅式来压缩头部,⽽是开发了 HPACK 算法,HPACK 算法主要包含:
- 静态字典;(高频头部或者字段,共61种,QPACK中,则上升为98个静态表项)
- 动态字典;(自行构建。Index 62 起步)动态表编解码方式差距很大
- Huffman 编码 编码(压缩算法);
客户端和服务器两端都会建⽴和维护「字典」,⽤⻓度较⼩的索引号表示重复的字符串,再⽤ Huffman 编码压缩数据,可达到 50%~90% 的⾼压缩率。
动态表就是将未包含在静态表中的Header项,在首次出现时加入动态表,这样后续传输时仅用数字表示,大大提升了编码效率。
因此,动态表是天然具备时序性的,如果首次出现的请求出现了丢包,后续请求解码HPACK头部时,会被阻塞。
QPACK将动态表的编码、解码独立在单向Stream中传输,仅当单向Stream中的动态表编码成功后,接收端才能解码双向Stream上HTTP消息里的动态表索引。
IOT
物联网时代,移动设备接入的网络会频繁变动,从而导致设备IP地址改变。
对于通过四元组(源IP、源端口、目的IP、目的端口)定位连接的TCP协议来说,这意味着连接需要断开重连。
而HTTP3的QUIC层允许移动设备更换IP地址后,只要仍保有上下文信息(比如连接ID、TLS密钥等),就可以复用原连接。
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Packet Header实现了可靠的连接。
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QUIC Frame Header在无序的Packet报文中,基于QUIC Stream概念实现了有序的字节流,这允许HTTP消息可以像在TCP连接上一样传输;
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HTTP3 Frame Header定义了HTTP Header、Body的格式,以及服务器推送、QPACK编解码流等功能。
为了进一步提升网络传输效率,Packet Header又可以细分为两种:
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Long Packet Header用于首次建立连接;
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Short Packet Header用于日常传输数据。
参考
- https://tools.ietf.org/html/draft-ietf-quic-http-34
- https://tools.ietf.org/html/draft-ietf-quic-transport-34#section-17
- https://ably.com/topic/http3?amp%3Butm_campaign=evergreen&%3Butm_source=reddit&utm_medium=referral
- https://www.nginx.org.cn/article/detail/422
- https://www.chinaz.com/2020/1009/1192436.shtml