Jack Jiang

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          1、TCP協(xié)議到底怎么了?

          現(xiàn)時的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中,Web平臺(準確地說是基于HTTP及其延伸協(xié)議的客戶端/服務(wù)器應(yīng)用)的數(shù)據(jù)傳輸都基于 TCP 協(xié)議。

          但TCP 協(xié)議在創(chuàng)建連接之前需要進行三次握手(如下圖 1,更詳細原理請見《理論經(jīng)典:TCP協(xié)議的3次握手與4次揮手過程詳解》),如果需要提高數(shù)據(jù)交互的安全性,既增加傳輸層安全協(xié)議(TLS),還會增加更多的更多握手次數(shù)(如下圖 2)。

           
          ▲ 圖 1 - TCP的三次握手原理圖
           
          ▲ 圖 2  - TLS的初始化握手原理圖

          正如上面兩張圖里演示的原理,TCP 協(xié)議連接建立的成本相對較高。

          所以,一般的穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)傳輸都是通過TCP,但是在網(wǎng)絡(luò)基建本身就已經(jīng)越來越完善的情況下,TCP設(shè)計本身的問題便暴露了出來,特別是在弱網(wǎng)環(huán)境下,讓我們不得不考慮一些新的可能性。

          (本文同步發(fā)布于:http://www.52im.net/thread-2816-1-1.html

          2、QUIC協(xié)議登場

          和 TCP 相反,UDP 協(xié)議是無連接協(xié)議??蛻舳税l(fā)出 UDP 數(shù)據(jù)包后,只能“假設(shè)”這個數(shù)據(jù)包已經(jīng)被服務(wù)端接收。這樣的好處是在網(wǎng)絡(luò)傳輸層無需對數(shù)據(jù)包進行確認,但存在的問題就是為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?,?yīng)用層協(xié)議需要自己完成包傳輸情況的確認。

          此時,QUIC 協(xié)議就登場了。

          QUIC 是 Quick UDP Internet Connections 的縮寫,谷歌發(fā)明的新傳輸協(xié)議。

          與 TCP 相比,QUIC 可以減少延遲。

          QUIC 協(xié)議可以在 1 到 2 個數(shù)據(jù)包(取決于連接的服務(wù)器是新的還是已知的)內(nèi),完成連接的創(chuàng)建(包括 TLS)(如下圖3所示)。

           

          ▲ 圖 3  - QUIC 協(xié)議握手原理圖

          從表面上看:QUIC 非常類似于在 UDP 上實現(xiàn)的 TCP + TLS + HTTP/2。由于 TCP 是在操作系統(tǒng)內(nèi)核和中間件固件中實現(xiàn)的,因此對 TCP 進行重大更改幾乎是不可能的(TCP 協(xié)議棧通常由操作系統(tǒng)實現(xiàn),如 Linux、Windows 內(nèi)核或者其他移動設(shè)備操作系統(tǒng)。修改 TCP 協(xié)議是一項浩大的工程,因為每種設(shè)備、系統(tǒng)的實現(xiàn)都需要更新)。但是,由于 QUIC 建立在 UDP 之上,因此沒有這種限制。QUIC 可以實現(xiàn)可靠傳輸,而且相比于 TCP,它的流控功能在用戶空間而不在內(nèi)核空間,那么使用者就不受限于 CUBIC 或是 BBR,而是可以自由選擇,甚至根據(jù)應(yīng)用場景自由調(diào)整優(yōu)化。

          QUIC 與現(xiàn)有 TCP + TLS + HTTP/2 方案相比,有以下幾點主要特征:

          1)利用緩存,顯著減少連接建立時間;

          2)改善擁塞控制,擁塞控制從內(nèi)核空間到用戶空間;

          3)沒有 head of line 阻塞的多路復(fù)用;

          4)前向糾錯,減少重傳;

          5)連接平滑遷移,網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變更不會影響連接斷線。

           

          從圖上可以看出,QUIC 底層通過 UDP 協(xié)議替代了 TCP,上層只需要一層用于和遠程服務(wù)器交互的 HTTP/2 API。這是因為 QUIC 協(xié)議已經(jīng)包含了多路復(fù)用和連接管理,HTTP API 只需要完成 HTTP 協(xié)議的解析即可。

          有關(guān)QUIC的詳解請見:《技術(shù)掃盲:新一代基于UDP的低延時網(wǎng)絡(luò)傳輸層協(xié)議——QUIC詳解》。

          3、QUIC協(xié)議的目標

          QUIC 協(xié)議的主要目的,是為了整合 TCP 協(xié)議的可靠性和 UDP 協(xié)議的速度和效率。

          一張圖看懂QUIC協(xié)議的優(yōu)勢:

           

          對于 Google 來說優(yōu)化 TCP 協(xié)議是一個長期目標,QUIC 旨在創(chuàng)建幾乎等同于 TCP 的獨立連接,但有著低延遲,并對類似 SPDY 的多路復(fù)用流協(xié)議有更好的支持。 如果 QUIC 協(xié)議的特性被證明是有效的,這些特性以后可能會被遷移入后續(xù)版本的 TCP 和 TLS 協(xié)議(它們都有很長的開發(fā)周期)。

          值得注意的是,雖然理論上來說,如果 QUIC 的特性被證明是有效的,這些特性以后可能會被遷移到后續(xù)版本的 TCP 協(xié)議中,但鑒于TCP協(xié)議長達幾十年在互聯(lián)網(wǎng)通信里的壟斷地位,以及這么多年積累下來的沉重歷史報復(fù),想要根本性地優(yōu)化或改進TCP協(xié)議,難度相當大(或許,有些事情,只能是想想而已,IPV6還喊了這么多年呢,不是一樣沒普及。。。)。

          4、QUIC協(xié)議這么好,可以大規(guī)模切換為QUIC嗎?

          理想和現(xiàn)實總是有一定的差距:雖然經(jīng)過多年的推廣的應(yīng)用,但QUIC協(xié)議目前仍未達到大量普及的階段,在 IETF上的QUIC 依然還是草稿,并且還存在Google QUIC與IETF QUIC兩類不穩(wěn)定的協(xié)定。

          而且,QUIC還面臨以下挑戰(zhàn):

          1)小地方,路由封殺UDP 443端口( 這正是QUIC 部署的端口);

          2)UDP包過多,由于QS限定,會被服務(wù)商誤認為是攻擊,UDP包被丟棄;

          3)無論是路由器還是防火墻目前對QUIC都還沒有做好準備。

          5、QUIC協(xié)議實踐

          Chrome 瀏覽器從 2014 年開始已經(jīng)實驗性的支持了 QUIC 協(xié)議。可以通過在 Chrome 瀏覽器中輸入 chrome://net-internals/#quic 查看是否已經(jīng)支持 QUIC 協(xié)議。如果還未支持,可以在 chrome://flags/#enable-quic 中進行開啟。

          開始 Chrome 瀏覽器對 QUIC 協(xié)議的支持之后,可以在 chrome://net-internals/#quic 中查看到當前瀏覽器的 QUIC 一些連接。當然目前只有 Google 服務(wù)才支持 QUIC 協(xié)議(如 YouTube、 Google.com)。

           

          Google 在 2015 年的一篇博文中分享了一些關(guān)于 QUIC 協(xié)議實現(xiàn)的結(jié)果,這些優(yōu)勢在諸如 YouTube 的視頻服務(wù)上更為突出:用戶報告通過 QUIC 協(xié)議在觀看視頻的時候可以減少 30% 的重新緩沖時間。

          6、我想試試QUIC協(xié)議,可以怎么做?

          目前支持 QUIC 協(xié)議的 web 服務(wù)只有 0.9 版本以后的 Caddy 。其他常用 web 服務(wù)如 nginx、apache 等都未開始支持。

          整個 QUIC 協(xié)議比較復(fù)雜,想自己完全實現(xiàn)一套對筆者來說還比較困難。

          所以先看看開源實現(xiàn)有哪些。

          1)Chromium

          這個是官方支持的。優(yōu)點自然很多,Google 官方維護基本沒有坑,隨時可以跟隨 chrome 更新到最新版本。不過編譯 Chromium 比較麻煩,它有單獨的一套編譯工具。暫時不建議考慮這個方案。

          2)proto-quic

          從 chromium 剝離的一個 QUIC 協(xié)議部分,但是其 github 主頁已宣布不再支持,僅作實驗使用。不建議考慮這個方案。

          3)goquic

          goquic 封裝了 libquic 的 go 語言封裝,而 libquic 也是從 chromium 剝離的,好幾年不維護了,僅支持到 quic-36, goquic 提供一個反向代理,測試發(fā)現(xiàn)由于 QUIC 版本太低,最新 chrome 瀏覽器已無法支持。不建議考慮這個方案。

          4)quic-go

          quic-go 是完全用 go 寫的 QUIC 協(xié)議棧,開發(fā)很活躍,已在 Caddy 中使用,MIT 許可,目前看是比較好的方案。

          那么,對于中小團隊或個人開發(fā)者來說,比較推薦的方案是最后一個,即采用 caddy 來部署實現(xiàn) QUIC。caddy 這個項目本意并不是專門用來實現(xiàn) QUIC 的,它是用來實現(xiàn)一個免簽的 HTTPS web 服務(wù)器的(caddy 會自動續(xù)簽證書)。而QUIC 只是它的一個附屬功能(不過現(xiàn)實是——好像用它來實現(xiàn) QUIC 的人更多)。

          從Github的技術(shù)趨勢來說,有關(guān)QUIC的開源資源越來越多,有興趣可以自已逐一研究研究:https://github.com/search?q=quic

          7、本文小結(jié)

          QUIC 協(xié)議開創(chuàng)性的使用了 UDP 協(xié)議作為底層傳輸協(xié)議,通過各種方式減少了網(wǎng)絡(luò)延遲。

          雖然目前 QUIC 協(xié)議已經(jīng)運行在一些較大的網(wǎng)站上,但離大范圍普及還有較長的一段距離,期待 QUIC 協(xié)議規(guī)范能夠成為終稿,并在除了谷歌瀏覽器之外的其他瀏覽器和應(yīng)用服務(wù)器中也能夠?qū)崿F(xiàn)。

          8、參考資料

          9、系列文章

          附錄:更多網(wǎng)絡(luò)編程相關(guān)資料推薦

          TCP/IP詳解 - 第11章·UDP:用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議

          TCP/IP詳解 - 第17章·TCP:傳輸控制協(xié)議

          TCP/IP詳解 - 第18章·TCP連接的建立與終止

          TCP/IP詳解 - 第21章·TCP的超時與重傳

          技術(shù)往事:改變世界的TCP/IP協(xié)議(珍貴多圖、手機慎點)

          通俗易懂-深入理解TCP協(xié)議(上):理論基礎(chǔ)

          通俗易懂-深入理解TCP協(xié)議(下):RTT、滑動窗口、擁塞處理

          理論經(jīng)典:TCP協(xié)議的3次握手與4次揮手過程詳解

          理論聯(lián)系實際:Wireshark抓包分析TCP 3次握手、4次揮手過程

          計算機網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議關(guān)系圖(中文珍藏版)

          UDP中一個包的大小最大能多大?

          P2P技術(shù)詳解(一):NAT詳解——詳細原理、P2P簡介

          P2P技術(shù)詳解(二):P2P中的NAT穿越(打洞)方案詳解

          P2P技術(shù)詳解(三):P2P技術(shù)之STUN、TURN、ICE詳解

          通俗易懂:快速理解P2P技術(shù)中的NAT穿透原理

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