Jack Jiang

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          1、TCP協(xié)議到底怎么了?

          現(xiàn)時(shí)的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中,Web平臺(tái)(準(zhǔn)確地說(shuō)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(jìn)行三次握手(如下圖 1,更詳細(xì)原理請(qǐng)見(jiàn)《理論經(jīng)典:TCP協(xié)議的3次握手與4次揮手過(guò)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(huì)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(duì)較高。

          所以,一般的穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)傳輸都是通過(guò)TCP,但是在網(wǎng)絡(luò)基建本身就已經(jīng)越來(lái)越完善的情況下,TCP設(shè)計(jì)本身的問(wèn)題便暴露了出來(lái),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(chǎng)

          和 TCP 相反,UDP 協(xié)議是無(wú)連接協(xié)議。客戶端發(fā)出 UDP 數(shù)據(jù)包后,只能“假設(shè)”這個(gè)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(wú)需對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行確認(rèn),但存在的問(wèn)題就是為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑧?yīng)用層協(xié)議需要自己完成包傳輸情況的確認(rèn)。

          此時(shí),QUIC 協(xié)議就登場(chǎng)了。

          QUIC 是 Quick UDP Internet Connections 的縮寫(xiě),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(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)的,因此對(duì) TCP 進(jìn)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(shí)現(xiàn),如 Linux、Windows 內(nèi)核或者其他移動(dòng)設(shè)備操作系統(tǒng)。修改 TCP 協(xié)議是一項(xiàng)浩大的工程,因?yàn)槊糠N設(shè)備、系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)都需要更新)。但是,由于 QUIC 建立在 UDP 之上,因此沒(méi)有這種限制。QUIC 可以實(shí)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(chǎng)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(diǎn)主要特征:

          1)利用緩存,顯著減少連接建立時(shí)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(méi)有 head of line 阻塞的多路復(fù)用;

          4)前向糾錯(cuò),減少重傳;

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

           

          從圖上可以看出,QUIC 底層通過(guò) UDP 協(xié)議替代了 TCP,上層只需要一層用于和遠(yuǎn)程服務(wù)器交互的 HTTP/2 API。這是因?yàn)?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(qǐng)見(jiàn):《技術(shù)掃盲:新一代基于UDP的低延時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸層協(xié)議——QUIC詳解》。

          3、QUIC協(xié)議的目標(biāo)

          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(shì):

           

          對(duì)于 Google 來(lái)說(shuō)優(yōu)化 TCP 協(xié)議是一個(gè)長(zhǎng)期目標(biāo),QUIC 旨在創(chuàng)建幾乎等同于 TCP 的獨(dú)立連接,但有著低延遲,并對(duì)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(huì)被遷移入后續(xù)版本的 TCP 和 TLS 協(xié)議(它們都有很長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)周期)。

          值得注意的是,雖然理論上來(lái)說(shuō),如果 QUIC 的特性被證明是有效的,這些特性以后可能會(huì)被遷移到后續(xù)版本的 TCP 協(xié)議中,但鑒于TCP協(xié)議長(zhǎng)達(dá)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(lái)的沉重歷史報(bào)復(fù),想要根本性地優(yōu)化或改進(jìn)TCP協(xié)議,難度相當(dāng)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(méi)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(shí)總是有一定的差距:雖然經(jīng)過(guò)多年的推廣的應(yīng)用,但QUIC協(xié)議目前仍未達(dá)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(guò)多,由于QS限定,會(huì)被服務(wù)商誤認(rèn)為是攻擊,UDP包被丟棄;

          3)無(wú)論是路由器還是防火墻目前對(duì)QUIC都還沒(méi)有做好準(zhǔn)備。

          5、QUIC協(xié)議實(shí)踐

          Chrome 瀏覽器從 2014 年開(kāi)始已經(jīng)實(shí)驗(yàn)性的支持了 QUIC 協(xié)議。可以通過(guò)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(jìn)行開(kāi)啟。

          開(kāi)始 Chrome 瀏覽器對(duì) QUIC 協(xié)議的支持之后,可以在 chrome://net-internals/#quic 中查看到當(dāng)前瀏覽器的 QUIC 一些連接。當(dāng)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(shí)現(xiàn)的結(jié)果,這些優(yōu)勢(shì)在諸如 YouTube 的視頻服務(wù)上更為突出:用戶報(bào)告通過(guò) QUIC 協(xié)議在觀看視頻的時(shí)候可以減少 30% 的重新緩沖時(shí)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(kāi)始支持。

          整個(gè) QUIC 協(xié)議比較復(fù)雜,想自己完全實(shí)現(xiàn)一套對(duì)筆者來(lái)說(shuō)還比較困難。

          所以先看看開(kāi)源實(shí)現(xiàn)有哪些。

          1)Chromium

          這個(gè)是官方支持的。優(yōu)點(diǎn)自然很多,Google 官方維護(hù)基本沒(méi)有坑,隨時(shí)可以跟隨 chrome 更新到最新版本。不過(guò)編譯 Chromium 比較麻煩,它有單獨(dú)的一套編譯工具。暫時(shí)不建議考慮這個(gè)方案。

          2)proto-quic

          從 chromium 剝離的一個(gè) QUIC 協(xié)議部分,但是其 github 主頁(yè)已宣布不再支持,僅作實(shí)驗(yàn)使用。不建議考慮這個(gè)方案。

          3)goquic

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

          4)quic-go

          quic-go 是完全用 go 寫(xiě)的 QUIC 協(xié)議棧,開(kāi)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(duì)于中小團(tuán)隊(duì)或個(gè)人開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō),比較推薦的方案是最后一個(gè),即采用 caddy 來(lái)部署實(shí)現(xiàn) QUIC。caddy 這個(gè)項(xiàng)目本意并不是專門用來(lái)實(shí)現(xiàn) QUIC 的,它是用來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)免簽的 HTTPS web 服務(wù)器的(caddy 會(huì)自動(dòng)續(xù)簽證書(shū))。而QUIC 只是它的一個(gè)附屬功能(不過(guò)現(xiàn)實(shí)是——好像用它來(lái)實(shí)現(xiàn) QUIC 的人更多)。

          從Github的技術(shù)趨勢(shì)來(lái)說(shuō),有關(guān)QUIC的開(kāi)源資源越來(lái)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(kāi)創(chuàng)性的使用了 UDP 協(xié)議作為底層傳輸協(xié)議,通過(guò)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(yùn)行在一些較大的網(wǎng)站上,但離大范圍普及還有較長(zhǎng)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(bào)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(shí)與重傳

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

          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(dòng)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(guò)程詳解

          理論聯(lián)系實(shí)際:Wireshark抓包分析TCP 3次握手、4次揮手過(guò)程

          計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議關(guān)系圖(中文珍藏版)

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          不為人知的網(wǎng)絡(luò)編程(六):深入地理解UDP協(xié)議并用好它

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