關於HTTP/3背後你所不知道的

banq發表於2018-11-20
HTTP

HTTP / 3將標準化，作為一個老協議人，我想我會寫一些評論。
谷歌擁有最受歡迎的網路瀏覽器（Chrome）和兩個最受歡迎的網站（＃1 Google.com＃2 Youtube.com）。因此，他們可以控制未來的Web協議開發。他們的第一次升級稱為SPDY（發音為“speedy”），最終標準化為HTTP的第二個版本，即HTTP/2。他們的第二次升級稱為QUIC（發音為“quick”），標準化為HTTP/3。
主要網路瀏覽器（Chrome，Firefox，Edge，Safari）和主要網路伺服器（Apache，Nginx，IIS，CloudFlare）已經支援SPDY（HTTP/2）。許多最受歡迎的網站都支援它（即使是非谷歌網站），儘管你不太可能線上上看到它（用Wireshark或tcpdump嗅探），因為它總是用SSL加密。雖然標準允許HTTP/2透過TCP執行原始，但所有實現僅透過SSL使用它。
這裡有一個關於標準的好教訓。在網際網路之外，標準通常是法律上的由政府管理，驅動所有主要利益相關者進入一個房間並將其擬定出來，然後使用規則迫使人們採用它。在網際網路上，人們首先建立實現一個新事物，然後如果其他人喜歡它，他們也會開始使用它，因此，標準通常是事實上的。
RFC是針對已經在網際網路上執行良好的內容編寫的，記錄了人們已經在使用的內容。瀏覽器/伺服器採用SPDY不是因為它是標準化的，而是因為主要參與者開始使用它。QUIC正在發生同樣的事情：它被標準化為HTTP/3的事實反映了它已被使用，而不是處於通往標準化實施里程碑階段。

QUIC實際上是新版本的TCP（TCP / 2 ???）而不是新版本的HTTP（HTTP / 3）。它並沒有真正改變HTTP / 2的作用，而是改變了傳輸的工作方式。因此，我在下面的評論側重於傳輸問題而不是HTTP問題。

HTTP3主要特點是更快的連線設定和延遲
TCP需要在建立連線之前來回傳送多個資料包。SSL再次需要在建立加密之前來回傳送許多資料包。如果有很多網路延遲，例如當人們使用具有半秒ping時間的衛星網際網路時，建立連線可能需要相當長的時間。透過減少往返次數，連線可以更快地進行設定，因此當您單擊連結時，連結的資源會立即彈出

頻寬
網路連線的源和目標之間始終存在頻寬限制，這幾乎總是由於擁塞。雙方都需要發現一種速度級別，以這個速度他們能夠以合適的速率傳送資料包。傳送資料包太快也不行，會被丟棄，導致其他人擁塞更多，這樣並不會提高傳輸速率。傳送資料包太慢也不行，意味著網路使用不當。

HTTP傳統上這一點實現得很糟糕，使用單個TCP連線不適用於HTTP，因為與網站的互動需要同時傳輸多個內容，因此瀏覽器會開啟多個連線（通常為6個）。但是，這會打破頻寬估計，因為每個TCP連線都嘗試獨立完成，就像其他連線不存在一樣。SPDY透過其多路複用  功能解決了這個問題，該功能將瀏覽器/伺服器之間的多個互動放入一個連線。

QUIC擴充套件了這種多路複用，使得處理瀏覽器/伺服器之間的多個互動變得更加容易，而沒有任何一個互動阻止另一個互動，但都具有同樣的頻寬。從使用者的角度來看，這將使互動更加順暢，同時減少路由器遇到的擁塞。
 

使用者模式堆疊
TCP的問題，特別是在伺服器上，是TCP連線由作業系統核心處理，而服務本身在usermode中執行。跨核心/使用者模式邊界移動會導致效能問題。跟蹤大量TCP連線會導致可伸縮性問題。有些人嘗試將服務放入核心，以避免轉換，這是一個糟糕的，因為它破壞了作業系統的穩定性。我自己的解決方案，使用BlackICE IPS和masscan，就是使用 硬體的使用者模式驅動程式，將資料包從網路晶片直接傳送到使用者模式程式，繞過核心（參見PoC || GTFO＃15），使用我自己的自定義TCP堆疊。近年來，這已成為DPDK的流行 套件。

但是，從TCP遷移到UDP可以在沒有使用者模式驅動程式的情況下獲得相同的效能。 您可以呼叫recvmmsg（）  一次接收一堆UDP資料包，而不是呼叫眾所周知的recv（）函式來一次接收一個資料包。它仍然是核心/使用者模式轉換，但是一次性收到的一百個資料包的開銷，而不是每個資料包的轉換。

在我自己的測試中，使用典型的recv（）  函式限制為大約500,000 UDP /秒，但使用recvmmsg（）和其他一些最佳化（使用RSS的多核），你可以在低端四核伺服器上獲得5,000,000 UDP /秒。由於每個核心的擴充套件性很好，因此遷移到具有64個核心的強大伺服器應該可以進一步改進。

BTW，“RSS”是網路硬體的一項功能，它將傳入的資料包分成多個接收佇列。
多核可擴充套件性的最大問題是兩個CPU核心需要同時讀取/修改同一個東西，因此共享相同的UDP佇列成為最大的瓶頸。
因此，首先英特爾和其他乙太網供應商新增了RSS，為每個核心提供了自己的非共享資料包佇列。Linux和其他作業系統升級UDP以支援單個套接字（SO_REUSEPORT）的多個檔案描述符來處理多個佇列。
現在，QUIC使用這些發展成果，允許每個核心管理自己的UDP資料包流，而沒有與其他CPU核心共享內容的可擴充套件性問題。我之所以提到這一點，是因為我親自與英特爾硬體工程師討論過在2000年有多個資料包佇列問題。這是一個常見的問題，也是一個明顯的解決方案，在過去的二十年中，它看起來很有趣，直到它出現在高階的HTTP / 3。
如果沒有網路硬體中的RSS，QUIC就不太可能成為標準。


移動支援
當您將膝上型電腦移動到不同的WiFI網路或隨手機移動時，您的IP地址可能會發生變化。作業系統和協議不能正常關閉舊連線並開啟新連線。但是，對於QUIC，連線的識別符號不是“套接字”（源/目標埠/地址協議組合）的傳統概念，而是分配給連線的64位識別符號。
這意味著，當您四處移動時，即使IP地址發生變化，您也可以繼續從YouTube不間斷地繼續流式傳輸，或者繼續進行影片電話呼叫，而不會被丟棄。幾十年來，網際網路工程師一直在努力解決“移動IP”問題，試圖提出一個可行的解決方案。他們專注於端到端原則，以便在您移動時以某種方式保持一個恆定的IP地址，這不是一個實際的解決方案。很高興看到QUIC / HTTP / 3最終透過現實世界中的工作解決方案來解決這個問題。

如何使用這種新的運輸？幾十年來，網路程式設計的標準一直是傳輸層API，  稱為“套接字”。你呼叫recv（）之類的函式的地方 在您的程式碼中接收資料包。使用QUIC / HTTP / 3，我們不再擁有作業系統傳輸層API。相反，它是一個更高層的功能，您可以在go  程式語言中使用，或者在OpenResty nginx Web伺服器中使用Lua。

我之所以提到這一點，是因為您對OSI模型的教育中缺少的一點是，它最初設想每個人都在編寫應用層（7）API而不是傳輸層（4）API。應該有像應用程式服務元素之類的 東西，它們可以以標準方式處理檔案傳輸和訊息傳遞等不同應用程式。我認為人們越來越多地轉向這種模式，特別是谷歌用go，QUIC驅動，protobufs等。

我之所以提到這一點，是因為谷歌和微軟之間的對比。微軟擁有一個流行的作業系統，因此它的創新是由它在該作業系統中的功能所驅動的。谷歌的創新是由它可以放在作業系統之上的。然後有Facebook和亞馬遜自己必須在谷歌提供它們的堆疊之上（或之外）進行創新。按順序排名世界排名前五的公司是Apple-Google-Microsoft-Amazon-Facebook，因此每個公司推動創新都很重要。

結論
當TCP在20世紀70年代建立時，它是崇高的。它處理的事情，如擁塞，比競爭協議要好得多。從IPv4到IPv6的升級在很大程度上保持了IP的優勢；從TCP到QUIC的升級同樣基於TCP的優點，但將其擴充套件到現代需求。實際上，令人驚訝的是，TCP已經持續了這麼長時間沒有升級。

 

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