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QUIC

一种计算机网络传输层协议

QUIC（讀作「quick」）是一個通用[1]的傳輸層[2]網絡協議，最初由Google的Jim Roskind設計[3]。該協議於2012年實現並部署[4]，2013年隨着實驗範圍的擴大而公開發布[5][6][7]，並向IETF描述[8]。雖然長期處於互聯網草案（英語：Internet Draft）階段，但從Chrome瀏覽器至Google服務器的連接中超過一半的連接都使用了QUIC[9]。Microsoft Edge[10]、Firefox[11]都已支持此協議；Safari[12]實現了QUIC，但默認情況下沒有啟用。QUIC於RFC9000中被正式標準化[13]。

QUIC最初是「快速UDP互聯網連接」（Quick UDP Internet Connection）的首字母縮寫[3][8]，但在IETF標準中，QUIC不是任何內容的縮寫[1]。QUIC提高了目前使用TCP的面向連接的網絡應用的性能[2][9]。QUIC通過UDP協議在兩個端點之間建立若干個多路連接，以達到在網絡層淘汰TCP的目標。因為其設計目標在於取代TCP協議，該協議偶爾也被暱稱為「TCP/2」[14]。

QUIC與HTTP/2的多路復用連接協同工作，允許多個數據流獨立到達所有端點，因此不受涉及其他數據流的丟包影響。與之相比，HTTP/2建立在傳輸控制協議（TCP）上，如果任何一個TCP數據包延遲或丟失，所有多路數據流都會遭受隊頭阻塞延遲。

QUIC的次要目標包括降低連接和傳輸時延，以及每個方向的帶寬估計以避免擁塞。它還將擁塞控制算法移到了兩個端點的使用者空間，而不是內核空間，據稱這將使這些算法得到更快的改進。此外，該協議還可以擴展前向糾錯（FEC），以進一步提高預期錯誤時的性能，這被視為協議演進的下一步。

2015年6月，QUIC規範的互聯網草案（英語：Internet Draft）提交給IETF進行標準化[15][16]。2016年，成立了QUIC工作組[17]。2018年10月，IETF的HTTP工作組和QUIC工作組共同決定將QUIC上的HTTP映射稱為 "HTTP/3"，以提前使其成為全球標準[18]。2021年5月IETF公布RFC9000，QUIC規範推出了標準化版本[13]。

背景

傳輸控制協議 (TCP) 旨在為兩個端點之間發送數據流提供一個接口。數據交給TCP系統，TCP系統確保數據以完全相同的形式傳到另一端，否則連接將提示存在錯誤[19]。

為此，TCP將數據分解成網路封包，並在每個數據包中添加少量數據。這些附加數據包括一個序列號，用於檢測丟失或到達順序不正確的數據包，以及一個校驗和，可以檢測數據包數據內的錯誤。當其中任何一個問題發生時，TCP使用自動重傳請求（ARQ）告訴發送方重新發送丟失或損壞的數據包[19]。

在大多數實現中，TCP會將連接上的任何錯誤視為阻塞，停止進一步傳輸，直到錯誤得到解決或連接被視為失敗。如果使用單個連接來發送多個數據流，就像在HTTP/2協議中那樣，所有這些數據流都會被阻止，儘管其中只有一個可能有問題。例如，如果在下載用於收藏夾圖標的GIF圖像時出現一個錯誤，頁面的其餘部分將等待問題得到解決[19]。

由於TCP系統被設計成類似「數據管道」或流，TCP刻意被設計成並不知曉其傳輸的數據之細節。如果對傳輸的數據存在額外需求，如需要使用TLS加密，那麼此類協議必須建立在TCP的上層。每種協議都需要自己的握手過程，結果會導致在建立連接前需要大量交換數據，加之長距離通信的固有延遲，從而給整個傳輸過程增加大量開銷[19]。

介紹

 
QUIC與帶有TLS1.2的TCP握手比較

QUIC旨在提供幾乎等同於TCP連接的可靠性，但延遲大大減少。它主要通過兩個理解HTTP流量的行為來實現這一點[19]。

第一個變化是在連接建立期間大大減少開銷（英語：Overhead (computing)）。由於大多數HTTP連接都需要TLS，因此QUIC使協商密鑰和支持的協議成為初始握手過程的一部分。 當客戶端打開連接時，服務器響應的數據包包括將來的數據包加密所需的數據。這消除了TCP上的先連接並通過附加數據包協商安全協議的需要。其他協議可以以相同的方式進行服務，並將多個步驟組合到一個請求中。 然後，這些數據既可用於初始設置中的後續請求，也可用於未來的請求。[19]

QUIC使用UDP協議作為其基礎，不包括丟失恢復。相反，每個QUIC流是單獨控制的，並且在QUIC級別而不是UDP級別重傳丟失的數據。這意味着如果在一個流中發生錯誤，協議棧仍然可以獨立地繼續為其他流提供服務。 這在提高易出錯鏈路的性能方面非常有用，因為在大多數情況下TCP協議通知數據包丟失或損壞之前可能會收到大量的正常數據，但是在糾正錯誤之前其他的正常請求都會等待甚至重發。 QUIC在修復單個流時可以自由處理其他數據，也就是說即使一個請求發生了錯誤也不會影響到其他的請求。[20]

QUIC包括許多其他更普通的更改，這些更改也可以優化整體延遲和吞吐量。例如，每個數據包是單獨加密的，因此加密數據時不需要等待部分數據包。 在TCP下通常不可能這樣做，其中加密記錄在字節流中，並且協議棧不知道該流中的更高層邊界。這些可以由運行在更上層的協議進行協商，但QUIC旨在通過單個握手過程完成這些。[8]

QUIC的另一個目標是提高網絡切換期間的性能，例如當移動設備的用戶從WiFi熱點切換到移動網絡時發生的情況。 當這發生在TCP上時，一個冗長的過程開始了：每個現有連接一個接一個地超時（英語：Timeout (computing)），然後根據需要重新建立。期間存在較高延遲，因為新連接需要等待舊連接超時後才會建立。 為解決此問題，QUIC包含一個連接標識符，該標識符唯一地標識客戶端與服務器之間的連接，而無論源IP地址是什麼。這樣只需發送一個包含此ID的數據包即可重新建立連接，因為即使用戶的IP地址發生變化，原始連接ID仍然有效。[21]

 HTTP/1Transport Layer SecurityTransmission Control ProtocolHTTP/2TLS 1.2Transmission Control ProtocolHTTP/3TLS 1.3QUICUser Datagram ProtocolInternet Protocol
HTTP/3與HTTP/1.1和HTTP/2的之間的協議棧比較

QUIC在應用程序空間（英語：Application domain）中實現，而不是在操作系統內核中實現。當數據在應用程序之間移動時，這通常會由於上下文切換而調用額外的開銷。 但是在QUIC下協議棧旨在由單個應用程序使用，每個應用程序使用QUIC在UDP上託管自己的連接。最終差異可能非常小，因為整個HTTP/2堆棧的大部分已經存在於應用程序（或更常見的庫）中。 將剩餘部分放在這些庫中，基本上是糾錯，對HTTP/2堆棧的大小或整體複雜性幾乎沒有影響。[8]

QUIC允許更容易地進行未來更改，因為它不需要更改內核就可以進行更新。 QUIC的長期目標之一是添加前向糾錯和改進的擁塞控制。[21]

關於從TCP遷移到UDP的一個問題是TCP被廣泛採用，並且互聯網基礎設施中的許多中間設備被調整為UDP速率限制甚至阻止UDP。 Google進行了一些探索性實驗來描述這一點，發現只有少數連接存在此問題。[3]所以Chromium的網絡堆棧同時打開QUIC和傳統TCP連接，並在QUIC連接失敗時以零延遲回退到TCP連接。[22]

gQUIC與iQUIC

由Google創建並以QUIC的名稱提交給IETF的協議與隨後在IETF中創建的QUIC完全不同（儘管名稱相同）。 最初的Google QUIC（也稱為gQUIC）嚴格來說是通過加密UDP發送HTTP/2幀的協議，而IETF創建的QUIC是通用傳輸協議，也就是說HTTP以外的其他協議（如SMTP、DNS、SSH、Telnet、NTP）也可以使用它。重要的是要注意並記住其差異。 自2012年以來，Google在其服務及Chrome中使用的QUIC版本（直到2019年2月）為Google QUIC。隨着時間的推移，它正在逐漸變得類似於IETF QUIC（也稱為iQUIC）。

流量控制

與大多數傳輸協議一樣，QUIC 具有流量控制以保護接收端免受緩衝區overflow的影響。QUIC 是基於 UDP 傳輸，而 UDP 沒有流量控制，因此 QUIC 實現了自己的流量控制機制。與TCP不同，QUIC並非透過ACK回應目前接收到第幾筆資料，而是透過control frame實現類似於 HTTP/2 的基於信用的方案。

實現

客戶端

Google Chrome於2012年開始開發QUIC協議並且於Chromium版本 29（2013年8月20日釋出）發布。QUIC協議在當前Chrome版本中被默認開啟，活躍的會話列表在chrome://net-internals/#quic中可見。

服務端

截至2017年，有三種活躍維護中的實現。谷歌的服務器及谷歌發布的原型服務器 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）使用Go語言編寫的quic-go （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）及Caddy的試驗性QUIC支持。在2017年7月11日，LiteSpeed科技正式在他們的負載均衡（WebADC （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館））及 LiteSpeed 服務器中支持QUIC。截止 17 年 12 月， 97.5%的使用 QUIC 協議的網站在 LiteSpeed 服務器中運行[23]。

另有幾種不再維護的社區產品，基於Chromium實現並且減少使用依賴的libquic （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）、提供libquic的Go語言綁定的goquic （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）、打包為Docker鏡像的用來轉換為普通HTTP請求的反向代理quic-reverse-proxy （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）。

2020年12月，支持DNS-over-QUIC協議的公共DNS解析器，由AdGuard首次公開推出服務[24]。

參見

參考資料

  1. ^ 1.0 1.1 QUIC: A UDP-Based Multiplexed and Secure Transport. IETF: sec. 1. I-D draft-ietf-quic-transport-22. 
  2. ^ 2.0 2.1 Nathan Willis. Connecting on the QUIC. Linux Weekly News. [2013-07-16]. （原始內容存檔於2020-10-16）. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 QUIC: Design Document and Specification Rationale. Jim Roskind, Chromium Contributor. [2015-04-29]. （原始內容存檔於2014-11-10）. 
  4. ^ First Chromium Code Landing: CL 11125002: Add QuicFramer and friends.. [2012-10-16]. （原始內容存檔於2020-04-13）. 
  5. ^ Experimenting with QUIC. Chromium Official Blog. [2013-07-16]. （原始內容存檔於2021-02-05）. 
  6. ^ QUIC, Google wants to make the web faster. François Beaufort, Chromium Evangelist. 
  7. ^ QUIC: next generation multiplexed transport over UDP. YouTube. [2014-04-04]. （原始內容存檔於2020-11-18）. 
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 8.3 QUIC: IETF-88 TSV Area Presentation (PDF). Jim Roskind, Google. [2013-11-07]. （原始內容存檔 (PDF)於2014-02-11）. 
  9. ^ 9.0 9.1 Lardinois, Frederic. Google Wants To Speed Up The Web With Its QUIC Protocol. TechCrunch. [2016-10-25]. （原始內容存檔於2020-12-14）. 
  10. ^ Christopher Fernandes. Microsoft to add support for Google's QUIC fast internet protocol in Windows 10 Redstone 5. April 3, 2018 [2020-05-08]. （原始內容存檔於2020-11-23）. 
  11. ^ How to enable HTTP3 in Chrome / Firefox / Safari. bram.us. April 8, 2020 [2021-02-02]. （原始內容存檔於2021-01-28）. 
  12. ^ The state of QUIC and HTTP/3 2020. www.fastly.com. [2020-10-21]. （原始內容存檔於2020-11-13）. 
  13. ^ 13.0 13.1 rfc9000. tools.ietf.org. [2021-06-01] （英語）. 
  14. ^ Tatsuhiro Tsujikawa. ngtcp2. GitHub. [2020-10-17]. （原始內容存檔於2021-01-22）. 
  15. ^ Google Will Propose QUIC As IETF Standard. InfoQ. [2016-10-25]. （原始內容存檔於2020-10-24）. 
  16. ^ I-D Action: draft-tsvwg-quic-protocol-00.txt. i-d-announce (郵件列表). 17 Jun 2015 [2018-12-10]. （原始內容存檔於2016-05-26）. 
  17. ^ QUIC - IETF Working Group. datatracker.ietf.org. [2016-10-25]. （原始內容存檔於2021-02-05）. 
  18. ^ Cimpanu, Catalin. HTTP-over-QUIC to be renamed HTTP/3. ZDNet. 12 November 2018 [2018-12-10]. （原始內容存檔於2018-11-13）. 
  19. ^ 19.0 19.1 19.2 19.3 19.4 19.5 Bright, Peter. The next version of HTTP won't be using TCP. Arstechnica. 12 November 2018 [2019-04-10]. （原始內容存檔於2019-04-10）. 
  20. ^ Behr, Michael; Swett, Ian. Introducing QUIC support for HTTPS load balancing. Google Cloud Platform Blog. Google. [16 June 2018]. （原始內容存檔於2019-04-10）. 
  21. ^ 21.0 21.1 QUIC at 10,000 feet. Chromium. [2019-04-10]. （原始內容存檔於2019-04-10）. 
  22. ^ Applicability of the QUIC Transport Protocol. IETF Network Working Group. 22 October 2018 [2019-04-10]. （原始內容存檔於2019-06-07）. 
  23. ^ Distribution of Web Servers among websites that use QUIC. w3techs.com. [2018-12-10]. 
  24. ^ Darya Bugayova. AdGuard 成为世界第一个 DNS-over-QUIC 解析器 (html). AdGuard. 2020-12-16 [2020-12-18]. （原始內容存檔於2020-12-17） （中文（中國大陸））. 

外部連結

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