HTTP/3 协议：提升网络性能与解决传输层问题

HTTP/3 由互联网工程任务组 (IETF)，在 2022 年 6 月作为 RFC 9114 提议的标准发布

为什么需要新协议

HTTP/2 在数据传输阶段，虽然在应用层多个请求可以同时发送，但是传输层 TCP 协议要求数据包必须按顺序串行传输。
如果其中一个数据包丢失或者延迟，后续的数据包就需要等待重传，或者等待前面数据包传输完成后才能发送，也就是说队头阻塞问题并没有彻底解决。

由此可得，HTTP/2 主要性能瓶颈在传输层 TCP 协议。

TCP 协议解决方案

TCP 协议升级 (×)

为了解决上述问题，有 2 个升级 TCP 协议的方案

• Fast Open：缩短连接建立时间
• BBR 算法：避免拥塞和队头阻塞

但是 TCP 协议被广泛内置于操作系统内核、中间件固件以及硬件实现中，这些系统和设备都需要进行代码更新、测试和部署，才能支持新的 TCP 协议改进版本。
这个过程需要花费大量时间和精力，并且需要保证向后兼容性，以确保老版本的 TCP 协议和新版本 TCP 协议，可以共存于同一个网络中。

TCP 协议更换 UDP 协议 (×)

另一个方案解决是换一种传输层协议，可替换的 UDP 协议是一种无连接，不可靠的协议，不能解决 HTTP 的问题。

QUIC 协议的发布

Google 发布一个基于 UDP 应用层的传输协议，叫做 QUIC 协议 (Quick UDP Internet Connections)
它在用户空间实现类似 TCP 的流量控制、拥塞控制和重传机制等功能，从而提供可靠的数据传输，它的设计目的是替代 TCP，开发一种更灵活、更高性能的传输协议。

HTTP/3 的 QUIC 协议

基于 UDP 协议开发的原因

• 避免重新部署和更新网络设备和系统：UDP 协议已经被广泛部署在现有的网络设备和系统中，可以在不影响现有网络设备和系统的情况下，逐步推广和普及
• UDP 协议速度快，低延迟：由于 UDP 协议非常简单和轻量，它具有很快的速度，可以实现很好的网络性能

HTTP/3 使用 QUIC 协议

HTTP/3 使用 QUIC 协议替代传输层 TCP 协议，它的主要目的是使 HTTP 语法和现有 HTTP/2 功能，与 QUIC 传输协议兼容

HTTP/3 协议特性

• 安全性高：
  QUIC 集成 TLS v1.3 安全协议大部分特性，并使其兼容自身的传递机制，在传输层实现高级安全性。
  在 HTTP/3 中，加密不是可选的，而是一项内置功能。
  QUIC 保留了包含加密密钥的 TLS v1.3 内容层，但用自己的传输功能替换了记录层。

• 建立连接快：
  HTTP/2 协议在建立连接阶段，TCP 三次握手，耗费 1 个 RTT，TLS1.2 完全握手耗费 2 个 RTT；使用 TLS1.3 后简化握手需要 1 个 RTT，所以使用 TCP+TLS 建立连接需要 2-3 个 RTT。
  QUIC 基于 UDP，同时集成 TLS1.3，只需要 1 个 RTT 就可以完成安全连接的建立。

• 解决队头阻塞：
  QUIC 存在 Connection 和 Stream 两个级别的概念，Stream 可以认为就是一条 HTTP 请求，Connection 可以类比一条 TCP 连接。
  QUIC 多路复用和 HTTP2 类似，在一条 QUIC Connection 上可以同时发送多个 Stream，但是 QUIC 一个连接上的多个 Stream 之间相互独立没有依赖。
  假如其中一个 Stream 丢包，也只会影响该 Stream 的处理，不会影响其他 Stream，这也就在很大程度上缓解，甚至消除队头阻塞的影响。

• 支持连接迁移：
  一条 TCP 连接是由四元组标识 (源 IP，源端口，目的 IP，目的端口)，在手机使用 WIFI 和 4G 移动网络切换时，IP 肯定会发生变化，就需要重新建立 TCP 连接。
  一条 QUCI 连接不再以 IP 及端口四元组标识，而是以一个 64 位的随机数作为 ID 来标识，这样就算 IP 或者端口发生变化时，只要 ID 不变，这条连接依然维持。

• 避免协议僵化：
  QUIC 协议是一个基于用户空间的协议，它的实现独立于操作系统内核，可以在应用层进行部署和更新，这使得 QUIC 协议更容易引入新的功能和改进

HTTP/3 弊端

• 网管难度大：由于 QUIC 加密级别高，相比于在报文中带有未加密元数据的 TCP，提供防火墙和网络跟踪服务变得更加困难，目前很多防火墙尚不支持 QUIC。
• UDP 会被网络阻止：UDP 经常被用于不同类型的网络攻击 (例如：DDoS 攻击)，因为攻击者可以轻易伪造 IP 地址，发送大量 UDP 数据包，导致目标服务器过载，从而无法正常处理合法请求，因此一些网络会阻止 UDP 协议。
• UDP 丢包处理难度大：UDP 连接出现丢包情况，要交给应用层做重传处理，增大应用层复杂程度。