2.8.1 快速 UDP 网络连接
什么是 QUIC
QUIC (Quick UDP Internet Connection，快速 UDP 网络连接) 是一种基于 UDP 封装的安全、可靠传输协议，它的目标是取代 TCP 成为标准且效率更高的安全传输协议。
大部分人都会以为是 IETF[1] 在推动替换 TCP 协议，实际上推动的先驱是 Google 公司。
早在 2013 年，Google 在它的服务器（如 Google.com、youtube.com）和 Chrome 浏览器中启用了名为「快速 UDP 网络连接（QUIC）」的全新传输协议，该协议业内一般称 gQUIC。
- 2015 年，Google 将 gQUIC 提交给 IETF，并在 IETF 的推动下对其进行规范化 ，早期标准化的草案（iQUIC）有 h3-27、h3-29 和 h3 v1。
- 2018 年末，IETF 正式批准了 HTTP over QUIC 使用 HTTP/3 的版本号，将其确立为最新一代的互联网标准。
- 2022 年 6月 6 日，历时 9 年，IETF 正式标准化基于 QUIC 协议的 HTTP/3 为 RFC9114。
如图 2-32 所示，各个版本的 HTTP 协议对比，HTTP/3 最大的特点是使用 QUIC 协议，并在内部直接集成 TLS 协议。
图 2-32 HTTP协议对比
1.QUIC 出现的背景
QUIC 出现之前，HTTP 中使用 TCP 作为传输数据的底层协议。
然而，作为一个在 40 年前开发的传输层通信协议，肯定没有想到今天移动设备盛行的场景。在如今复杂的移动网络的环境下，TCP 存在着先天的设计缺陷，这些问题集中在以下几点：
- 建立连接时握手延迟大：HTTPS 握手初次连接至少需要 3 个 RTT 才能建立。
- 队头阻塞问题：以 HTTP/2 为例，多个数据请求在同一个 TCP 连接上所有 stream 都必须按顺序处理。如果一个 stream 的数据丢失，后面其他的 stream 将被阻塞，直到丢失的数据被重传。
- TCP 协议僵化问题：作为一个运行了接近 40 多年的协议，许多中间件（例如防火墙和路由器）已经变得依赖于某些隐式规则，打补丁或者说推动 TCP 协议更新脱离现实。
2.QUIC 协议的特点
QUIC 采用 UDP 作为其传输协议，与 TCP 相比没有丢包自动重传的特性，QUIC 的可靠性传输能力完全由自己实现。汲取 TCP 的设计经验以及现在的网络环境因素影响，QUIC 得以实现具有更低的延迟和更高的吞吐量。
下面列举 QUIC 的部分重要特性，这些特性是 QUIC 被寄予厚望的关键。
支持连接迁移
当用户网络环境发生变化（在移动端这相当普遍，譬如 WIFI 切换到 4G 时），TCP 基于四元组的方式无法保持连接的存活。而 QUIC 由于使用 Connection ID 标识连接，当源地址发生改变时，连接不受环境变化影响，因此 QUIC 可以实现网络变化的无缝切换，从而保证连接存活和数据正常收发。
图 2-33 QUIC 支持连接迁移
低时延连接
以一个 HTTPS 的请求为例，即使升级使用 TLS1.3 ，初次连接也至少需要 2-RTT 才能开启数据传输，对于 TCP Fastopen 等补丁方案，由于协议僵化等原因，难以在复杂网络中生效。而 QUIC 基于 UDP 无需 TCP 握手，初次连接只需要 1- RTT 就能开启数据传输。
图 2-34 QUIC 请求 RTT 示例
可插拔拥塞控制
笔者工作经历中曾试图推进升级 TCP 拥塞控制算法，过程相当艰难，原因就是要升级内核。使用 QUIC 就好办了，只要修改用户态的 QUIC 中的 SetSendAlgorithm 参数，不需要内核的任何改动。
「构建在 UDP 之上」意味着可以不关心内核或者不用深入了解内核的开发，也可以灵活地调整可靠传输机制和拥塞控制算法等。QUIC 协议栈运行在用户态，支持可插拔[2]的 Cubic、BBR、PCC 等拥塞控制算法，还可以根据具体场景定制私有拥塞控制算法。
降低对丢包的敏感度
QUIC 为每个 Stream 设计和实现单独的流量控制，解决了影响整个连接的队头阻塞问题。单个连接上，QUIC 协议的每个 Stream 之间没有顺序依赖，这意味着如果 Stream2 丢失了一个 UDP 数据包，它只会影响 Stream2 的处理，不会阻塞 Stream1 和 Stream3 的数据传输。此外，还要提及 QUIC 实现的另外一个特性：「HPACK 标头压缩格式的变体 QPACK 」，通过压缩 Header 降低网络传输冗余数据量的方式缓解头部阻塞问题。
图 2-35 QUIC 流
这样，通过全方位无死角的优化设计，保证了 QUIC 在当今网络环境下比 TCP 更安全、更快速的连接、更高的传输效率。