轉(zhuǎn)場

好了，B 站的事情就介紹到這了，你以為這次我要聊 B 站，其實我要聊的是 HTTP/3 ！

真不容易呀，小林為了讓大家學習 HTTP/3，煞費苦心布置了 B 站這個幌子，吸引大家點進來。所以，大家不要覺得是標題黨哈。

事實上，HTTP/3 現(xiàn)在還沒正式推出，不過自 2017 年起， HTTP/3 已經(jīng)更新到 34 個草案了，基本的特性已經(jīng)確定下來了，對于包格式可能后續(xù)會有變化。

所以，這次 HTTP/3 介紹不會涉及到包格式，只說它的特性。

美中不足的 HTTP/2

HTTP/2 通過頭部壓縮、二進制編碼、多路復用、服務器推送等新特性大幅度提升了 HTTP/1.1 的性能，而美中不足的是 HTTP/2 協(xié)議是基于 TCP 實現(xiàn)的，于是存在的缺陷有三個。

• 隊頭阻塞；

• TCP 與 TLS 的握手時延遲；

• 網(wǎng)絡遷移需要重新連接；

隊頭阻塞

HTTP/2 多個請求是跑在一個 TCP 連接中的，那么當 TCP 丟包時，整個 TCP 都要等待重傳，那么就會阻塞該 TCP 連接中的所有請求。

因為 TCP 是字節(jié)流協(xié)議，TCP 層必須保證收到的字節(jié)數(shù)據(jù)是完整且有序的，如果序列號較低的 TCP 段在網(wǎng)絡傳輸中丟失了，即使序列號較高的 TCP 段已經(jīng)被接收了，應用層也無法從內(nèi)核中讀取到這部分數(shù)據(jù)，從 HTTP 視角看，就是請求被阻塞了。

舉個例子，如下圖：

圖中發(fā)送方發(fā)送了很多個 packet，每個 packet 都有自己的序號，你可以認為是 TCP 的序列號，其中 packet 3 在網(wǎng)絡中丟失了，即使 packet 4-6 被接收方收到后，由于內(nèi)核中的 TCP 數(shù)據(jù)不是連續(xù)的，于是接收方的應用層就無法從內(nèi)核中讀取到，只有等到 packet 3 重傳后，接收方的應用層才可以從內(nèi)核中讀取到數(shù)據(jù)，這就是 HTTP/2 的隊頭阻塞問題，是在 TCP 層面發(fā)生的。

TCP 與 TLS 的握手時延遲

發(fā)起 HTTP 請求時，需要經(jīng)過 TCP 三次握手和 TLS 四次握手（TLS 1.2）的過程，因此共需要 3 個 RTT 的時延才能發(fā)出請求數(shù)據(jù)。

另外， TCP 由于具有「擁塞控制」的特性，所以剛建立連接的 TCP 會有個「慢啟動」的過程，它會對 TCP 連接產(chǎn)生"減速"效果。

網(wǎng)絡遷移需要重新連接

一個 TCP 連接是由四元組（源 IP 地址，源端口，目標 IP 地址，目標端口）確定的，這意味著如果 IP 地址或者端口變動了，就會導致需要 TCP 與 TLS 重新握手，這不利于移動設備切換網(wǎng)絡的場景，比如 4G 網(wǎng)絡環(huán)境切換成 WIFI。

這些問題都是 TCP 協(xié)議固有的問題，無論應用層的 HTTP/2 在怎么設計都無法逃脫。

要解決這個問題，就必須把傳輸層協(xié)議替換成 UDP，這個大膽的決定，HTTP/3 做了！

QUIC 協(xié)議的特點

我們深知，UDP 是一個簡單、不可靠的傳輸協(xié)議，而且是 UDP 包之間是無序的，也沒有依賴關系。

而且，UDP 是不需要連接的，也就不需要握手和揮手的過程，所以天然的就比 TCP 快。

當然，HTTP/3 不僅僅只是簡單將傳輸協(xié)議替換成了 UDP，還基于 UDP 協(xié)議在「應用層」實現(xiàn)了 QUIC 協(xié)議，它具有類似 TCP 的連接管理、擁塞窗口、流量控制的網(wǎng)絡特性，相當于將不可靠傳輸?shù)?UDP 協(xié)議變成“可靠”的了，所以不用擔心數(shù)據(jù)包丟失的問題。

QUIC 協(xié)議的優(yōu)點有很多，這里舉例幾個，比如：

• 無隊頭阻塞；

• 更快的連接建立；

• 連接遷移；

無隊頭阻塞

QUIC 協(xié)議也有類似 HTTP/2 Stream 與多路復用的概念，也是可以在同一條連接上并發(fā)傳輸多個 Stream，Stream 可以認為就是一條 HTTP 請求。

由于 QUIC 使用的傳輸協(xié)議是 UDP，UDP 不關心數(shù)據(jù)包的順序，如果數(shù)據(jù)包丟失，UDP 也不關心。不過，QUIC 協(xié)議會保證數(shù)據(jù)包的可靠性，每個數(shù)據(jù)包都有一個序號唯一標識。

如果 QUIC 連接中的某個流中的一個數(shù)據(jù)包丟失了，只會阻塞該流，其他流不會受影響。這與 HTTP/2 不同，HTTP/2 只要某個流中的數(shù)據(jù)包丟失了，其他流也會因此受影響。

所以，QUIC 連接上的多個 Stream 之間并沒有依賴，都是獨立的，某個流發(fā)生丟包了，只會影響該流，其他流不受影響，消除了 HTTP/2 的隊頭阻塞問題。

更快的連接建立

對于 HTTP/1 和 HTTP/2 協(xié)議，TCP 和 TLS 是分層的，分別屬于內(nèi)核實現(xiàn)的傳輸層、openssl 庫實現(xiàn)的表示層，因此它們難以合并在一起，需要分批次來握手，先 TCP 握手，再 TLS 握手。

HTTP/3 在傳輸數(shù)據(jù)前雖然需要 QUIC 協(xié)議握手，這個握手過程只需要 1 RTT，握手的目的是為確認雙方的「連接 ID」，連接遷移就是基于連接 ID 實現(xiàn)的。

但是 HTTP/3 的 QUIC 協(xié)議并不是與 TLS 分層，而是QUIC 內(nèi)部包含了 TLS，它在自己的幀會攜帶 TLS 里的“記錄”，再加上 QUIC 使用的是 TLS1.3，因此僅需 1 個 RTT 就可以「同時」完成建立連接與密鑰協(xié)商，甚至在第二次連接的時候，應用數(shù)據(jù)包可以和 QUIC 握手信息（連接信息 + TLS 信息）一起發(fā)送，達到 0-RTT 的效果。

如下圖右邊部分，HTTP/3 當會話恢復時，有效負載數(shù)據(jù)與第一個數(shù)據(jù)包一起發(fā)送，可以做到 0-RTT：

連接遷移

在前面我們提到，基于 TCP 傳輸協(xié)議的 HTTP 協(xié)議，由于是通過四元組（源 IP、源端口、目的 IP、目的端口）確定一條 TCP 連接。

那么當移動設備的網(wǎng)絡從 4G 切換到 WIFI 時，意味著 IP 地址變化了，就必須要斷開連接，然后重新建立連接，而建立連接的過程包含 TCP 三次握手和 TLS 四次握手的時延，以及 TCP 慢啟動的減速過程，給用戶的感覺就是網(wǎng)絡突然卡頓了一下，因此連接的遷移成本是很高的。

而 QUIC 協(xié)議沒有用四元組的方式來“綁定”連接，而是通過連接 ID來標記通信的兩個端點，客戶端和服務器可以各自選擇一組 ID 來標記自己。

因此，即使移動設備的網(wǎng)絡變化后，導致 IP 地址變化了，只要仍保有上下文信息（比如連接 ID、TLS 密鑰等），就可以“無縫”地復用原連接，消除重連的成本，沒有絲毫卡頓感，達到了連接遷移的功能。

HTTP/3 協(xié)議

了解完 QUIC 協(xié)議的特點后，我們再來看看 HTTP/3 協(xié)議在 HTTP 這一層做了什么變化。

HTTP/3 同 HTTP/2 一樣采用二進制幀的結(jié)構(gòu)，不同的地方在于 HTTP/2 的二進制幀里需要定義 Stream，而 HTTP/3 自身不需要再定義 Stream，直接使用 QUIC 里的 Stream，于是 HTTP/3 的幀的結(jié)構(gòu)也變簡單了。

從上圖可以看到，HTTP/3 幀頭只有兩個字段：類型和長度。

根據(jù)幀類型的不同，大體上分為數(shù)據(jù)幀和控制幀兩大類，HEADERS 幀（HTTP 頭部）和 DATA 幀（HTTP 包體）屬于數(shù)據(jù)幀。

HTTP/3 在頭部壓縮算法這一方便也做了升級，升級成了 QPACK。與 HTTP/2 中的 HPACK 編碼方式相似，HTTP/3 中的 QPACK 也采用了靜態(tài)表、動態(tài)表及 Huffman 編碼。

對于靜態(tài)表的變化，HTTP/2 中的 HPACK 的靜態(tài)表只有 61 項，而 HTTP/3 中的 QPACK 的靜態(tài)表擴大到 91 項。

HTTP/2 和 HTTP/3 的 Huffman 編碼并沒有多大不同，但是動態(tài)表編解碼方式不同。

所謂的動態(tài)表，在首次請求-響應后，雙方會將未包含在靜態(tài)表中的 Header 項更新各自的動態(tài)表，接著后續(xù)傳輸時僅用 1 個數(shù)字表示，然后對方可以根據(jù)這 1 個數(shù)字從動態(tài)表查到對應的數(shù)據(jù)，就不必每次都傳輸長長的數(shù)據(jù)，大大提升了編碼效率。

可以看到，動態(tài)表是具有時序性的，如果首次出現(xiàn)的請求發(fā)生了丟包，后續(xù)的收到請求，對方就無法解碼出 HPACK 頭部，因為對方還沒建立好動態(tài)表，因此后續(xù)的請求解碼會阻塞到首次請求中丟失的數(shù)據(jù)包重傳過來。

HTTP/3 的 QPACK 解決了這一問題，那它是如何解決的呢？

QUIC 會有兩個特殊的單向流，所謂的單項流只有一端可以發(fā)送消息，雙向則指兩端都可以發(fā)送消息，傳輸 HTTP 消息時用的是雙向流，這兩個單向流的用法：

• 一個叫 QPACK Encoder Stream， 用于將一個字典（key-value）傳遞給對方，比如面對不屬于靜態(tài)表的 HTTP 請求頭部，客戶端可以通過這個 Stream 發(fā)送字典；

• 一個叫 QPACK Decoder Stream，用于響應對方，告訴它剛發(fā)的字典已經(jīng)更新到自己的本地動態(tài)表了，后續(xù)就可以使用這個字典來編碼了。

這兩個特殊的單向流是用來同步雙方的動態(tài)表，編碼方收到解碼方更新確認的通知后，才使用動態(tài)表編碼 HTTP 頭部。

總結(jié)

HTTP/2 雖然具有多個流并發(fā)傳輸?shù)哪芰Γ莻鬏攲邮?TCP 協(xié)議，于是存在以下缺陷：

• 隊頭阻塞，HTTP/2 多個請求跑在一個 TCP 連接中，如果序列號較低的 TCP 段在網(wǎng)絡傳輸中丟失了，即使序列號較高的 TCP 段已經(jīng)被接收了，應用層也無法從內(nèi)核中讀取到這部分數(shù)據(jù)，從 HTTP 視角看，就是多個請求被阻塞了；

• TCP 和 TLS 握手時延，TCL 三次握手和 TLS 四次握手，共有 3-RTT 的時延；

• 連接遷移需要重新連接，移動設備從 4G 網(wǎng)絡環(huán)境切換到 WIFI 時，由于 TCP 是基于四元組來確認一條 TCP 連接的，那么網(wǎng)絡環(huán)境變化后，就會導致 IP 地址或端口變化，于是 TCP 只能斷開連接，然后再重新建立連接，切換網(wǎng)絡環(huán)境的成本高；

HTTP/3 就將傳輸層從 TCP 替換成了 UDP，并在 UDP 協(xié)議上開發(fā)了 QUIC 協(xié)議，來保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

QUIC 協(xié)議的特點：

• 無隊頭阻塞，QUIC 連接上的多個 Stream 之間并沒有依賴，都是獨立的，也不會有底層協(xié)議限制，某個流發(fā)生丟包了，只會影響該流，其他流不受影響；

• 建立連接速度快，因為 QUIC 內(nèi)部包含 TLS1.3，因此僅需 1 個 RTT 就可以「同時」完成建立連接與 TLS 密鑰協(xié)商，甚至在第二次連接的時候，應用數(shù)據(jù)包可以和 QUIC 握手信息（連接信息 + TLS 信息）一起發(fā)送，達到 0-RTT 的效果。

• 連接遷移，QUIC 協(xié)議沒有用四元組的方式來“綁定”連接，而是通過連接 ID 來標記通信的兩個端點，客戶端和服務器可以各自選擇一組 ID 來標記自己，因此即使移動設備的網(wǎng)絡變化后，導致 IP 地址變化了，只要仍保有上下文信息（比如連接 ID、TLS 密鑰等），就可以“無縫”地復用原連接，消除重連的成本；

另外 HTTP/3 的 QPACK 通過兩個特殊的單向流來同步雙方的動態(tài)表，解決了 HTTP/2 的 HPACK 隊頭阻塞問題。

不過，由于 QUIC 使用的是 UDP 傳輸協(xié)議，UDP 屬于“二等公民”，大部分路由器在網(wǎng)絡繁忙的時候，會丟掉 UDP包，把“空間”讓給 TCP 包，所以 QUIC 的推廣之路應該沒那么簡單。

期待，HTTP/3 正式推出的那一天！

參考連接

1. https://medium.com/faun/http-2-spdy-and-http-3-quic-bae7d9a3d484

2. https://developers.google.com/web/fundamentals/performance/http2?hl=zh-cn

3. https://blog.cloudflare.com/http3-the-past-present-and-future/

4. https://tools.ietf.org/html/draft-ietf-quic-http-34

5. https://tools.ietf.org/html/draft-ietf-quic-transport-34#section-17

6. https://ably.com/topic/http3?amp%3Butm_campaign=evergreen&%3Butm_source=reddit&utm_medium=referral

7. https://www.nginx.org.cn/article/detail/422

8. https://www.bilibili.com/read/cv793000/

9. https://www.chinaz.com/2020/1009/1192436.shtml