什么是QUIC和HTTP/3？

快速UDP互联网连接（QUIC）是一种通用传输层协议，旨在凭借灵活性、内置安全机制、更少的性能问题和更快的普及速度取代传输控制协议（TCP）。QUIC最初由Google开发，使用用户数据报协议（UDP）作为底层传输机制，在客户端与服务器之间传输数据包。值得注意的是，QUIC还将传输层安全协议（TLS）作为不可或缺的组成部分，而不是像HTTP/1.1和HTTP/2那样将其作为附加层。

基于QUIC的HTTP/3是超文本传输协议（HTTP）的第三个主要版本，并于2022年被采纳为IETF标准。QUIC+HTTP/3旨在解决TCP固有的局限性，这些局限性会制约性能和用户体验。

API如何工作？

API是应用程序的“公开界面”，用于展示应用程序可执行的功能和可提供的信息，并定义正确的请求格式。开发人员为应用程序创建并公开API后，其他应用程序便可与该应用程序通信。

在许多情况下，API可提供随时可用的常用功能，从而为开发人员节省宝贵时间。开发人员无需重复开发现有应用的功能，只需调用其API，即可将这些功能集成到自己的应用中。

HTTP传输栈概览

QUIC+HTTP/3 基础知识

QUIC旨在为HTTP/3提供高性能、高可靠性和高安全性的传输协议（但QUIC也适用于非HTTP流量）。

如果您对QUIC完全不了解，建议观看下方的入门视频。

UDP、TCP和TLS

UDP是一种简单的轻量级协议，建立初始连接时不需要像TCP那样进行复杂的三次握手。这种简洁性使UDP速度快且无需建立连接，但也意味着与TCP相比，它缺少实现可靠、安全通信所必需的功能。

QUIC的独特之处在于融合了UDP和TCP协议的优势。它在底层传输中采用无连接的UDP协议，以减少连接和传输延迟；同时，通过重新实现TCP的连接建立和丢包检测功能，在更高层面向连接，从而保证数据包送达。QUIC可识别丢失的数据并完成重传，确保流畅的用户体验。

QUIC还将TLS作为不可或缺的组成部分，而不是像HTTP/1.1和HTTP/2那样将其作为附加层。这种集成方式可确保消息默认加密。

QUIC网络概述

下图展示了QUIC网络的基本结构。如图所示，承载HTTP/3请求、响应或任何应用数据的逻辑对象是QUIC流。为了在网络端点之间传输，QUIC流会封装在多个逻辑层中。

QUIC流剖析

从外到内，逻辑层和对象依次为：

UDP数据报：包含一个用于指定源端口和目标端口（以及长度和校验和数据）的标头，后跟一个或多个QUIC数据包。数据报是通过网络从客户端传输到服务器的信息单元。
QUIC数据包：包含一个QUIC标头和一个或多个QUIC帧。
QUIC标头：包含有关数据包的元数据。标头分为两种类型：
- 长标头，用于建立连接。
- 短标头，在连接建立后使用。它包含连接ID、数据包编号和密钥阶段等数据（密钥阶段用于跟踪加密数据包所使用的密钥，以支持密钥轮换）。对于特定的连接和密钥阶段，数据包编号是唯一的，并且始终递增。
帧：包含类型、流ID、偏移量和流数据。流数据分布在多个帧中，但可以使用连接ID、流ID和偏移量进行组装，并按正确顺序排列各数据块。
流：单个QUIC连接内的单向或双向数据流。每个QUIC连接可支持多个相互独立的流，每个流都有自己的流ID。如果包含部分流的QUIC数据包丢失，不会影响未包含在该丢失数据包中的其他流继续传输（这对于避免HTTP/2中出现的队头阻塞至关重要）。流可以是双向的，并且可由任一端点创建。

QUIC 如何与 TLS 握手协同工作

TLS握手可在客户端与服务器之间建立安全连接。QUIC提供的加密功能需要TLS v1.3。如下图所示，QUIC保留了用于提供加密密钥的TLS“内容层”，但使用自身的传输机制取代了“记录层”。

QUIC还依赖TLS进行身份验证，并协商对安全性和性能至关重要的参数。这两种协议并非采用严格的分层结构，而是相互协作：QUIC使用TLS握手建立安全连接，而TLS则利用QUIC提供的可靠性、有序交付和记录层。

从整体来看，TLS与QUIC组件之间主要有两种交互：

TLS组件通过QUIC组件发送和接收消息，QUIC为TLS提供可靠的流抽象。
TLS组件向QUIC组件提供一系列更新，包括：（a）要安装的新数据包保护密钥；（b）状态变更，例如握手完成、服务器证书等。

QUIC TLS 的 HTTP/3 支持选项

QUIC TLS是专为QUIC协议设计的一种TLS变体。目前，需要在QUIC TLS中获得HTTP/3支持的用户有两种选择：

OpenSSL QUIC实现，OpenSSL目前正在自行实现完整的QUIC协议栈。该开发项目会将所有QUIC功能封装在实现中，让HTTP/3用户能够更轻松地使用OpenSSL TLS API，而无需考虑QUIC特有的功能。
支持BoringSSL QUIC API的库：BoringSSL、quicTLS和LibreSSL（最初是OpenSSL的一个分支）等多种SSL库现已通过实现BoringSSL QUIC API来提供QUIC TLS功能。由于OpenSSL QUIC TLS实现尚未就绪，目前这是希望使用HTTP/3的用户唯一可选的方案。

QUIC+HTTP/3 的优势

QUIC+HTTP/3旨在通过降低延迟并改善不可靠网络中的数据传输，提升Web应用性能。其优势包括：

降低延迟：TCP等传统协议的连接建立过程会产生延迟。QUIC+HTTP/3的多路复用功能可提高连接建立效率，从而降低连接建立和数据传输的延迟。
更快建立连接：QUIC+HTTP/3将TLS握手和加密设置合并为一个步骤，从而减少建立安全连接所需的往返次数。
多路复用：QUIC+HTTP/3可在单个连接中处理多个数据流，从而更高效地利用网络资源，并有助于避免队头阻塞问题。在传统TCP连接中，一个速度较慢的数据流可能会延迟其他数据流。
改进的纠错机制：QUIC采用前向纠错技术，无需重传即可帮助恢复丢失的数据包，从而降低丢包对性能的影响。
降低数据包丢失的影响：UDP是无连接协议，无需像TCP那样进行严格的错误检查，因此传输速度更快。这在网络状况不太稳定的场景中尤其有利。
自适应拥塞控制：与TCP拥塞控制相比，QUIC+HTTP/3旨在提高效率和响应速度，从而在不断变化的网络环境中实现更好的性能。
迁移支持：QUIC+HTTP/3可在不同网络连接之间无缝切换（例如，从Wi-Fi切换到蜂窝网络），且不会影响应用性能。
增强安全性：QUIC+HTTP/3默认集成加密，可提升数据传输的安全性和隐私保护。此加密可防止传输中的数据遭到窃听和篡改。
NAT穿越：QUIC+HTTP/3使用UDP，有助于实现网络地址转换（NAT）穿越，从而在传统TCP连接可能遇到问题的场景中更轻松地建立连接。
持续演进：QUIC+HTTP/3采用软件实现和更新，无需更改底层网络基础设施，因此可以更快地更新和改进，以适应不断变化的网络状况和安全问题。