為什麼HTTP/3要基於UDP？可靠嗎？

ML李嘉圖發表於2022-03-31
HTTPUDP

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HTTP/3竟然是基於UDP的！開始我也很疑惑，UDP傳輸不可靠，沒有擁塞機制，究竟怎麼操作呢？

先說解決方案：

QUIC（Quick UDP Internet Connection）是谷歌制定的一種基於UDP的低時延的網際網路傳輸層協議 ！

QUIC很好地解決了當今傳輸層和應用層面臨的各種需求，包括處理更多的連線，安全性，和低延遲。

前言

有關於 TCP 和 UDP “連線”這個詞，是一個邏輯中的“虛擬”的概念，是為了方便我們的學習理解。

UDP的無連線，TCP的連線，唯區別是，UDP把只管傳送，TCP每次都對傳送的資料進行ACK確認。

這部分程式碼是放在傳輸層，還是放在應用層，這都關係不大。

QUIC是可以獨立於作業系統發行的，避免了作業系統緩慢的更新換代問題。

QUIC依然要面對訊息的可靠性、滑動視窗、擁塞控制等問題，你可以認為它就是一個TCP（但是本質不一樣）。

Chromium 官方宣佈 Chrome正在部署到 HTTP/3 與IETF QUIC。

為什麼轉用UDP？

因為TCP本身非常複雜，並且有太多歷史遺留的包袱。

TCP協議，目前已經被編碼到了作業系統，不論是協議升級，還是Bug修復，都是一個大工程。

選擇了UDP， UDP是一張白紙，它只是IP協議的一個程式設計介面。

  • HTTP3創造出Connection ID概念實現了連線遷移，通過融合傳輸層、表示層，既縮短了握手時長，也加密了傳輸層中的絕大部分欄位，提升了網路安全性。

  • HTTP3在Packet層保障了連線的可靠性，在QUIC Frame層實現了有序位元組流，在HTTP3 Frame層實現了HTTP語義，這徹底解開了隊頭阻塞問題，真正實現了應用層的多路複用。

  • QPACK使用獨立的單向Stream分別傳輸動態表編碼、解碼資訊，這樣亂序、併發傳輸HTTP訊息的Stream既不會出現隊頭阻塞，也能基於時序性大幅壓縮HTTP Header的體積。

HTTP/3解決了那些問題？

  • HTTP3基於UDP協議重新定義了連線，在QUIC層實現了無序、併發位元組流的傳輸，解決了隊頭阻塞問題（包括基於QPACK解決了動態表的隊頭阻塞）；

  • HTTP3重新定義了TLS協議加密QUIC頭部的方式，既提高了網路攻擊成本，又降低了建立連線的速度（僅需1個RTT就可以同時完成建鏈與金鑰協商）；

  • HTTP3 將Packet、QUIC Frame、HTTP3 Frame分離，實現了連線遷移功能，降低了5G環境下高速移動裝置的連線維護成本。

隊頭阻塞問題

HTTP2協議基於TCP有序位元組流實現，因此應用層的多路複用並不能做到無序地併發，在丟包場景下會出現隊頭阻塞問題。

HTTP3採用UDP作為傳輸層協議，重新實現了無序連線，並在此基礎上通過有序的QUIC Stream提供了多路複用。

QPACK編碼

與HTTP2中的HPACK編碼方式相似，HTTP3中的QPACK也採用了靜態表、動態表及Huffman編碼。

HTTP/2 沒使⽤常⻅的 gzip 壓縮⽅式來壓縮頭部，⽽是開發了 HPACK 演算法，HPACK 演算法主要包含：

  • 靜態字典；（高頻頭部或者欄位，共61種，QPACK中，則上升為98個靜態表項）
  • 動態字典；（自行構建。Index 62 起步）動態表編解碼方式差距很大
  • Huffman 編碼 編碼（壓縮演算法）；

客戶端和伺服器兩端都會建⽴和維護「字典」，⽤⻓度較⼩的索引號表示重複的字串，再⽤ Huffman 編碼壓縮資料，可達到 50%~90% 的⾼壓縮率。

動態表就是將未包含在靜態表中的Header項，在首次出現時加入動態表，這樣後續傳輸時僅用數字表示，大大提升了編碼效率。

因此，動態表是天然具備時序性的，如果首次出現的請求出現了丟包，後續請求解碼HPACK頭部時，會被阻塞。

QPACK將動態表的編碼、解碼獨立在單向Stream中傳輸，僅當單向Stream中的動態表編碼成功後，接收端才能解碼雙向Stream上HTTP訊息裡的動態表索引。

IOT

物聯網時代，移動裝置接入的網路會頻繁變動，從而導致裝置IP地址改變。

對於通過四元組（源IP、源埠、目的IP、目的埠）定位連線的TCP協議來說，這意味著連線需要斷開重連。

而HTTP3的QUIC層允許移動裝置更換IP地址後，只要仍保有上下文資訊（比如連線ID、TLS金鑰等），就可以複用原連線。

  • Packet Header實現了可靠的連線。

  • QUIC Frame Header在無序的Packet報文中，基於QUIC Stream概念實現了有序的位元組流，這允許HTTP訊息可以像在TCP連線上一樣傳輸；

  • HTTP3 Frame Header定義了HTTP Header、Body的格式，以及伺服器推送、QPACK編解碼流等功能。

為了進一步提升網路傳輸效率，Packet Header又可以細分為兩種：

  • Long Packet Header用於首次建立連線；

  • Short Packet Header用於日常傳輸資料。

參考

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