從 1989 年萬維網(wǎng)（www）誕生，HTTP（HyperText Transfer Protocol）經(jīng)歷了眾多版本迭代，WebSocket 也在期間萌芽。1991 年 HTTP0.9 被發(fā)明。1996 年出現(xiàn)了 HTTP1.0。2015 年 HTTP2 正式發(fā)布。2020 年 HTTP3 或能正式使用。以下將會簡單介紹。


HTTP1.1 與 HTTP2
HTTP1.1 的缺陷

    高延遲 — 隊(duì)頭阻塞(Head-Of-Line Blocking)

    無狀態(tài)特性 — 阻礙交互

    明文傳輸 — 不安全性

    不支持服務(wù)端推送

隊(duì)頭阻塞

隊(duì)頭阻塞是指當(dāng)順序發(fā)送的請求序列中的一個(gè)請求因?yàn)槟撤N原因被阻塞時(shí)，在后面排隊(duì)的所有請求也一并被阻塞，會導(dǎo)致客戶端遲遲收不到數(shù)據(jù)。

針對隊(duì)頭阻塞：

1.將同一頁面的資源分散到不同域名下，提升連接上限。雖然能公用一個(gè) TCP 管道，但是在一個(gè)管道中同一時(shí)刻只能處理一個(gè)請求，在當(dāng)前的請求沒有結(jié)束之前，其他的請求只能處于阻塞狀態(tài)。

2.減少請求數(shù)量

3.內(nèi)聯(lián)一些資源：css、base64 圖片等

4.合并小文件減少資源數(shù)
無狀態(tài)特性

無狀態(tài)是指協(xié)議對于連接狀態(tài)沒有記憶能力。純凈的 HTTP 是沒有 cookie 等機(jī)制的，每一個(gè)連接都是一個(gè)新的連接。上一次請求驗(yàn)證了用戶名密碼，而下一次請求服務(wù)器并不知道它與上一條請求有何關(guān)聯(lián)，換句話說就是掉登錄態(tài)。
不安全性

傳輸內(nèi)容沒有加密，中途可能被篡改和劫持。
SPDY 協(xié)議

SPDY 是由 google 推行的改進(jìn)版本的 HTTP1.1 （那時(shí)候還沒有 HTTP2）。

特性：

    多路復(fù)用 — 解決隊(duì)頭阻塞

    頭部壓縮 — 解決巨大的 HTTP 頭部

    請求優(yōu)先級 — 先獲取重要數(shù)據(jù)

    服務(wù)端推送 — 填補(bǔ)空缺

    提高安全性

多路復(fù)用

SPDY 允許在一個(gè)連接上無限制并發(fā)流。因?yàn)檎埱笤谝粋€(gè)通道上，TCP 效率更高（參考 TCP 擁塞控制 中的慢啟動）。更少的網(wǎng)絡(luò)連接，發(fā)出更密集的包。
頭部壓縮

使用專門的 HPACK 算法，每次請求和響應(yīng)只發(fā)送差異頭部，一般可以達(dá)到 50% ~90% 的高壓縮率。
請求優(yōu)先級

雖然無限的并發(fā)流解決了隊(duì)頭阻塞的問題，但如果帶寬受限，客戶端可能會因防止堵塞通道而阻止請求。在網(wǎng)絡(luò)通道被非關(guān)鍵資源堵塞時(shí)，高優(yōu)先級的請求會被優(yōu)先處理。
服務(wù)端推送

服務(wù)端推送（ServerPush），可以讓服務(wù)端主動把資源文件推送給客戶端。當(dāng)然客戶端也有權(quán)利選擇是否接收。
提高安全性

支持使用 HTTPS 進(jìn)行加密傳輸。

HTTP2

HTTP2 基于 SPDY，專注于性能，最大的一個(gè)目標(biāo)是在用戶和網(wǎng)站間只用一個(gè)連接。

新增特性：

    二進(jìn)制分幀 - HTTP2 性能增強(qiáng)的核心

    多路復(fù)用 - 解決串行的文件傳輸和連接數(shù)過多

二進(jìn)制分幀

首先，HTTP2 沒有改變 HTTP1 的語義，只是在應(yīng)用層使用二進(jìn)制分幀方式傳輸。因此，也引入了新的通信單位：幀、消息、流。

分幀有什么好處？服務(wù)器單位時(shí)間接收到的請求數(shù)變多，可以提高并發(fā)數(shù)。最重要的是，為多路復(fù)用提供了底層支持。
多路復(fù)用

一個(gè)域名對應(yīng)一個(gè)連接，一個(gè)流代表了一個(gè)完整的請求-響應(yīng)過程。幀是最小的數(shù)據(jù)單位，每個(gè)幀會標(biāo)識出該幀屬于哪個(gè)流，流也就是多個(gè)幀組成的數(shù)據(jù)流。多路復(fù)用，就是在一個(gè) TCP 連接中可以存在多個(gè)流。演示

HTTP2 的缺陷

    TCP 以及 TCP+TLS 建立連接的延時(shí)

    TCP 的隊(duì)頭阻塞并沒有徹底解決

    多路復(fù)用導(dǎo)致服務(wù)器壓力上升

    多路復(fù)用容易 Timeout


建連延時(shí)

TCP 連接需要和服務(wù)器進(jìn)行三次握手，即消耗完 1.5 個(gè) RTT 之后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

TLS 連接有兩個(gè)版本—— TLS1.2 和 TLS1.3，每個(gè)版本建立連接所花的時(shí)間不同，大致需要 1~2 個(gè) RTT。

RTT（Round-Trip Time）:往返時(shí)延。表示從發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)開始，到發(fā)送端收到來自接收端的確認(rèn)（接收端收到數(shù)據(jù)后便立即發(fā)送確認(rèn)），總共經(jīng)歷的時(shí)延。
隊(duì)頭阻塞沒有徹底解決

TCP 為了保證可靠傳輸，有一個(gè)“超時(shí)重傳”機(jī)制，丟失的包必須等待重傳確認(rèn)。HTTP2 出現(xiàn)丟包時(shí)，整個(gè) TCP 都要等待重傳，那么就會阻塞該 TCP 連接中的所有請求。
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RTO：英文全稱是 Retransmission TimeOut，即重傳超時(shí)時(shí)間；RTO 是一個(gè)動態(tài)值，會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的改變而改變。RTO 是根據(jù)給定連接的往返時(shí)間 RTT 計(jì)算出來的。接收方返回的 ack 是希望收到的下一組包的序列號。
多路復(fù)用導(dǎo)致服務(wù)器壓力上升

多路復(fù)用沒有限制同時(shí)請求數(shù)。請求的平均數(shù)量與往常相同，但實(shí)際會有許多請求的短暫爆發(fā)，導(dǎo)致瞬時(shí) QPS 暴增。
多路復(fù)用容易 Timeout

大批量的請求同時(shí)發(fā)送，由于 HTTP2 連接內(nèi)存在多個(gè)并行的流，而網(wǎng)絡(luò)帶寬和服務(wù)器資源有限，每個(gè)流的資源會被稀釋，雖然它們開始時(shí)間相差更短，但卻都可能超時(shí)。

即使是使用 Nginx 這樣的負(fù)載均衡器，想正確進(jìn)行節(jié)流也可能很棘手。其次，就算你向應(yīng)用程序引入或調(diào)整排隊(duì)機(jī)制，但一次能處理的連接也是有限的。如果對請求進(jìn)行排隊(duì)，還要注意在響應(yīng)超時(shí)后丟棄請求，以避免浪費(fèi)不必要的資源。引用

QUIC
簡介

Google
在推 SPDY 的時(shí)候就已經(jīng)意識到了這些問題，于是就另起爐灶搞了一個(gè)基于 UDP 協(xié)議的 QUIC 協(xié)議。而這個(gè)就是 HTTP3。它真正“完美”地解決了“隊(duì)頭阻塞”問題。
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主要特點(diǎn)

    改進(jìn)的擁塞控制、可靠傳輸

    快速握手

    集成了 TLS 1.3 加密

    多路復(fù)用

    連接遷移

改進(jìn)的擁塞控制、可靠傳輸

從擁塞算法和可靠傳輸本身來看，QUIC 只是按照 TCP 協(xié)議重新實(shí)現(xiàn)了一遍，那么 QUIC 協(xié)議到底改進(jìn)在哪些方面呢？主要有如下幾點(diǎn)：

1. 可插拔 — 應(yīng)用程序?qū)用婢湍軐?shí)現(xiàn)不同的擁塞控制算法。

一個(gè)應(yīng)用程序的不同連接也能支持配置不同的擁塞控制。應(yīng)用程序不需要停機(jī)和升級就能實(shí)現(xiàn)擁塞控制的變更，可以針對不同業(yè)務(wù)，不同網(wǎng)絡(luò)制式，甚至不同的 RTT，使用不同的擁塞控制算法。

關(guān)于應(yīng)用層的可插拔擁塞控制模擬，可以對 socket 上的流為對象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2. 單調(diào)遞增的 Packet Number — 使用 Packet Number 代替了 TCP 的 seq。

每個(gè) Packet Number 都嚴(yán)格遞增，也就是說就算 Packet N 丟失了，重傳的 Packet N 的 Packet Number 已經(jīng)不是 N，而是一個(gè)比 N 大的值。而 TCP 重傳策略存在二義性，比如客戶端發(fā)送了一個(gè)請求，一個(gè) RTO 后發(fā)起重傳，而實(shí)際上服務(wù)器收到了第一次請求，并且響應(yīng)已經(jīng)在路上了，當(dāng)客戶端收到響應(yīng)后，得出的 RTT 將會比真實(shí) RTT 要小。當(dāng) Packet N 唯一之后，就可以計(jì)算出正確的 RTT。

3. 不允許 Reneging — 一個(gè) Packet 只要被 Ack，就認(rèn)為它一定被正確接收。

Reneging 的意思是，接收方有權(quán)把已經(jīng)報(bào)給發(fā)送端 SACK（Selective Acknowledgment） 里的數(shù)據(jù)給丟了（如接收窗口不夠而丟棄亂序的包）。

QUIC 中的 ACK 包含了與 TCP 中 SACK 等價(jià)的信息，但 QUIC 不允許任何（包括被確認(rèn)接受的）數(shù)據(jù)包被丟棄。這樣不僅可以簡化發(fā)送端與接收端的實(shí)現(xiàn)難度，還可以減少發(fā)送端的內(nèi)存壓力。

4. 前向糾錯（FEC）

早期的 QUIC 版本存在一個(gè)丟包恢復(fù)機(jī)制，但后來由于增加帶寬消耗和效果一般而廢棄。FEC 中，QUIC 數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)混合原始數(shù)據(jù)和冗余數(shù)據(jù)，來確保無論到達(dá)接收端的 n 次傳輸內(nèi)容是什么，接收端都能夠恢復(fù)所有 n 個(gè)原始數(shù)據(jù)包。FEC 的實(shí)質(zhì)就是異或。示意圖：
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5. 更多的 Ack 塊和增加 Ack Delay 時(shí)間。

QUIC 可以同時(shí)提供 256 個(gè) Ack Block，因此在重排序時(shí)，QUIC 相對于 TCP（使用 SACK）更有彈性，這也使得在重排序或丟失出現(xiàn)時(shí)，QUIC 可以在網(wǎng)絡(luò)上保留更多的在途字節(jié)。在丟包率比較高的網(wǎng)絡(luò)下，可以提升網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)速度，減少重傳量。

TCP 的 Timestamp 選項(xiàng)存在一個(gè)問題：發(fā)送方在發(fā)送報(bào)文時(shí)設(shè)置發(fā)送時(shí)間戳，接收方在確認(rèn)該報(bào)文段時(shí)把時(shí)間戳字段值復(fù)制到確認(rèn)報(bào)文時(shí)間戳，但是沒有計(jì)算接收端接收到包到發(fā)送 Ack 的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間可以簡稱為 Ack Delay，會導(dǎo)致 RTT 計(jì)算誤差。現(xiàn)在就是把這個(gè)東西加進(jìn)去計(jì)算 RTT 了。

6. 基于 stream 和 connection 級別的流量控制。

為什么需要兩類流量控制呢？主要是因?yàn)?QUIC 支持多路復(fù)用。Stream 可以認(rèn)為就是一條 HTTP 請求。Connection 可以類比一條 TCP 連接。多路復(fù)用意味著在一條 Connetion 上會同時(shí)存在多條 Stream。

QUIC 接收者會通告每個(gè)流中最多想要接收到的數(shù)據(jù)的絕對字節(jié)偏移。隨著數(shù)據(jù)在特定流中的發(fā)送，接收和傳送，接收者發(fā)送 WINDOW_UPDATE 幀，該幀增加該流的通告偏移量限制，允許對端在該流上發(fā)送更多的數(shù)據(jù)。

除了每個(gè)流的流控制外，QUIC 還實(shí)現(xiàn)連接級的流控制，以限制 QUIC 接收者愿意為連接分配的總緩沖區(qū)。連接的流控制工作方式與流的流控制一樣，但傳送的字節(jié)和最大的接收偏移是所有流的總和。

最重要的是，我們可以在內(nèi)存不足或者上游處理性能出現(xiàn)問題時(shí)，通過流量控制來限制傳輸速率，保障服務(wù)可用性。
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快速握手

由于 QUIC 是基于 UDP 的，所以 QUIC 可以實(shí)現(xiàn) 0-RTT 或者 1-RTT 來建立連接，可以大大提升首次打開頁面的速度。
集成了 TLS 1.3 加密

TLS 1.3 支持 3 種基本密鑰交換模式：

(EC)DHE (基于有限域或橢圓曲線的 Diffie-Hellman)
PSK - only
PSK with (EC)DHE

在完全握手情況下，需要 1-RTT 建立連接。TLS1.3 恢復(fù)會話可以直接發(fā)送加密后的應(yīng)用數(shù)據(jù)，不需要額外的 TLS 握手，也就是 0-RTT。

TLS 1.3 0-RTT 簡單原理示意（基于 DHE）：
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但是 TLS1.3 也并不完美。TLS 1.3 的 0-RTT 無法保證前向安全性(Forward secrecy)。簡單講就是，如果當(dāng)攻擊者通過某種手段獲取到了 Session Ticket Key，那么該攻擊者可以解密以前的加密數(shù)據(jù)。

要緩解該問題可以通過設(shè)置使得與 Session Ticket Key 相關(guān)的 DH 靜態(tài)參數(shù)在短時(shí)間內(nèi)過期（一般幾個(gè)小時(shí)）。

多路復(fù)用

QUIC 是為多路復(fù)用從頭設(shè)計(jì)的，攜帶個(gè)別流的的數(shù)據(jù)的包丟失時(shí)，通常只影響該流。QUIC 連接上的多個(gè) stream 之間并沒有依賴，也不會有底層協(xié)議限制。假如 stream2 丟了一個(gè)包，也只會影響 stream2 的處理。
連接遷移

TCP 是按照 4 要素（客戶端 IP、端口, 服務(wù)器 IP、端口）確定一個(gè)連接的。而 QUIC 則是讓客戶端生成一個(gè) Connection ID （64 位）來區(qū)別不同連接。只要 Connection ID 不變，連接就不需要重新建立，即便是客戶端的網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化。由于遷移客戶端繼續(xù)使用相同的會話密鑰來加密和解密數(shù)據(jù)包，QUIC 還提供了遷移客戶端的自動加密驗(yàn)證。

挑戰(zhàn)
NAT 問題
NAT 概念

為了解決 IP 地址不足的問題，NAT 給一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)只分配一個(gè) IP 地址，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的主機(jī)，則分配私有地址，這些私有地址對外是不可見的，他們對外的通信都要借助那個(gè)唯一分配的 IP 地址。所有離開本地網(wǎng)絡(luò)去往 Internet 的數(shù)據(jù)報(bào)的源 IP 地址需替換為相同的 NAT，區(qū)別僅在于端口號不同。
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原因

TCP 和 UDP 的報(bào)文頭部不同導(dǎo)致 NAT 問題的出現(xiàn)。
NAT 設(shè)備的端口記憶問題

對于基于 TCP 的 HTTP、HTTPS 傳輸，NAT 設(shè)備可以根據(jù) TCP 報(bào)文頭的 SYN/FIN 狀態(tài)位，知道通信什么時(shí)候開始，什么時(shí)候結(jié)束，對應(yīng)記憶 NAT 映射的開始和結(jié)束。

但是基于 UDP 傳輸?shù)?HTTP3 ，不存在 SYN/FIN 狀態(tài)位。NAT 設(shè)備的記憶如果短于用戶會話時(shí)間，則用戶會話會中斷。NAT 設(shè)備的記憶時(shí)間如果長于用戶會話時(shí)間，則意味著 NAT 設(shè)備的端口資源會被白白占用。

最直接的解決方案是，在 QUIC 的頭部模仿 TCP 的 SYN/FIN 狀態(tài)，讓沿途的 NAT 設(shè)備知道會話什么時(shí)候開始、什么時(shí)候結(jié)束。但這需要升級全球所有的 NAT 設(shè)備的軟件。

另外一個(gè)可行的方案是，讓 QUIC 周期性地發(fā)送 Keepalive 消息，刷新 NAT 設(shè)備的記憶，避免 NAT 設(shè)備自動釋放。
NAT 設(shè)備禁用 UDP

在一些 NAT 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下（如某些校園網(wǎng)），UDP 協(xié)議會被路由器等中間網(wǎng)絡(luò)設(shè)備禁止，這時(shí)客戶端會直接降級，選擇 HTTPS 等備選通道，保證正常業(yè)務(wù)請求。
NGINX 負(fù)載均衡問題概念

QUIC 客戶端存在網(wǎng)絡(luò)制式切換，就算是同一個(gè)移動機(jī)房，可能第一次業(yè)務(wù)請求時(shí)會落到 A 這臺服務(wù)器，后續(xù)再次連接，就會落到 B 實(shí)例上，重復(fù)走 1-RTT 的完整握手流程。
全局握手緩存

為所有 QUIC 服務(wù)器實(shí)例建立一個(gè)全局握手緩存。當(dāng)用戶網(wǎng)絡(luò)發(fā)生切換時(shí)，下一次的業(yè)務(wù)請求無論是落到哪一個(gè)機(jī)房或哪一臺實(shí)例上，握手建連都會是 0-RTT。

歷代 HTTP 速度測試


結(jié)尾

從古至今實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸（音頻、視頻、游戲等）都面臨卡頓、延遲等問題，而 QUIC 基于 UDP 的架構(gòu)和改進(jìn)的重傳等特性，能夠有效的提升用戶體驗(yàn)。目前
B 站 也已經(jīng)接入 QUIC。

如果想要自己體驗(yàn) QUIC，可以使用 Libquic、Caddy 等。另外 github 上面也有 C++版本的 QUIC 實(shí)現(xiàn)，利用 Nodejs 的 C++ 模塊，前端工程師也可以快速實(shí)現(xiàn)一個(gè) node-quic。