[系统运维]QUIC协议详解

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1. QUIC简介

一种基于UDP的传输协议，用于提升网络加载速度，在弱网环境下表现较好。

2. QUIC数据格式

QUIC数据包分为Header和Data两部分。

• Frame Type：Stream、ACK、Padding、Blocked等
• Stream Frame：传输应用协议
  

3. QUIC实现原理

3.1 建立连接

回顾：建立连接-HTTPS

HTTPS的握手过程包含TCP握手和TLS握手

建立连接-QUIC

QUIC基于TLS实现连接建立。可以实现0-RTT握手。

前向安全：用来产生会话秘钥的长期密钥泄露出去，不会泄露以前的通讯内容。

3.2 可靠传输

可靠传输的要求

• 数据完整性：发送端发出的数据包，接收端都能收到。
• 数据有序性：接收端能按序组装数据包，解码得到原始数据。

数据完整性

实现方案：基于包号PKN和确认应答SACK的丢包重传机制

3.3 流量控制

滑动窗口

和TCP一样利用滑动窗口机制实现流量控制。

如果发送端收到了接收端的ACK帧，窗口就会向右滑动，发送新的数据包。

和TCP的不同

和TCP不同的是，QUIC的滑动窗口分为Connection和Stream两种级别

• Connection流量控制：规定了所有数据流的总窗口大小
• Stream流量控制：规定了每个流的窗口大小
  

3.4 拥塞控制

目的：通过拥塞窗口限制发送方的数据量，避免整个网络发生拥塞。

$$\text{?swnd?}=\min \text{?[rwnd,?[cwnd]?}$$

3.5 多路复用

首次提出：HTTP2

定义：单个TCP连接上可以同时发送多个HTTP请求

目的：解决HTTP1.1中单个连接1次只能发送一个请求的性能瓶颈

1个请求对应1个流，通过Stream ID就可以判断该数据帧属于哪个请求。

假设有A和B两个请求，对应的Stream ID分别为1和2。

存在问题：队头阻塞

解决方案：给每个请求流都分配一个独立的滑动窗口

3.6 连接迁移

定义：当客户端切换网络时，和服务器的连接并不会断开，仍然可以正常通信。

实现原理：QUIC的连接是基于64位的Connection ID，网络切换并不会影响Connection ID的变化，连接在逻辑上仍然是通的。

4. QUIC总结

问题：QUIC是如何提升网络加载速度的？

1. 降低连接耗时：在客户端有缓存的情况下实现 0-RTT 建立连接

2. 更灵活的拥塞控制：在用户态可以为每个请求配置不同的拥塞控制策略

3. 无队头阻塞的多路复用：在用户态可以为每个请求配置不同的拥塞控制策略

4. 连接迁移：网络切换不会中断数据传输