quic协议解析

认识quic

• QUIC ，即 快速UDP网络连接( Quick UDP Internet Connections)， 是由Google 提出的实验性网络传输协议 ，位于 OSI 模型传输层。
• 值得一提的是，quic协议通常在tcp/ip模型中的应用层去实现，有两点原因：
  1. 新的传输层协议为了保证正确性和对其他协议的公平性，从研发到在操作系统中部署，往往需要数年时间。
  2. 用户与服务器之间需要经过防火墙和NAT，路由器等其他网络设备，这些设备往往只认TCP和UDP，使用新的传输层协议可能会造成通信问题或者安全问题。
• QUIC 旨在解决TCP 协议的缺陷，并最终替代 TCP 协议， 以减少数据传输，降低连接建立延迟时间，加快网页传输速度
• QUIC诞生于2012年
  - quic的rfc

quic的开源库与应用

• gquic是谷歌用c++写的，且集成到了chromium里
• msquic是微软用c写的，2020年开始，还不成熟
• facebook的quic是c++写的，暂不考虑
• nginx也有quic服务，但是没有自带的client
• lsquic是litespeed基于MIT的c版本quic，比较稳定，各大平台都通过了测试
• ngtcp2是一个实验行的quic客户端，代码简洁性上是做的最好的，目前srs流媒体服务器，curl等开源项目基于其做二次开发比较多。

quic协议分析

quic中的重要概念

• quic连接：client发起连接，server接收连接，一个连接标记了一次会话；
• 流（stream）：一个quic连接内，单向或者双向的有序字节流，一个quic连接可以包含多个stream；
• 帧（frame）：quic链接内的最小通信单元，一个quic数据包中包含一个或多个帧。

quic与tcp的比较

比较项	TCP	QUIC
握手延迟	TCP需要三次握手+TLS握手（v1.3一次，V1.2两次）	传输层与TLS握手放到一起
再次连接	有本地cookie，TCP+TLS需要一次到两次	quic有本地cookie，不需要再次握手
头阻塞问题	tcp的seq与连接关联，丢一个包影响所有应用数据	基于UDP封装传输层的stream，stream内部保序所以没有头部阻塞问题
链接迁移	内核在五元组中维持会话，五元组改变则重建连接	quic基于cid标识连接，五元组变化不影响cid
特性迭代速度	内核中实现，迭代慢	用户态实现，可以灵活实现更好的quic方案
安全性	TCP头部是明文传输的	除了一些必要字段，quic头部也是加密的

quic与tcp相似的地方

• 传输方式借鉴了HTTP2，在一条tcp连接中传输多个逻辑上独立的流，因为多条流之间不会互相影响，所以基于quic的http3没有队头堵塞。
• 拥塞控制：quic默认启用和tcp一样的cubic丢包检测算法，但是可以插拔。
• 连接迁移：由于逻辑流不与四元组关联，可以方便的在应用层实现流量迁移而不需要重新握手。
• 身份认证：相较于tcp需要结合TLS增加安全性，quic内置安全策略，使用一个初始密钥一个会话秘钥，恶意环境表现与TCP+TLS相当，友好环境表现更佳。

quic的报文字段

首部

字段名	解释
flags	用于指示该数据包的类型和属性。例如，FIN标志表示该数据包是流结束标记，ACK标志表示该数据包是确认报文。
connection ID	一个随机生成的64位整数，用于标识该连接。
QUIC version	指定使用的QUIC协议版本。
Packet Number	这个数字用于确定包保护的密码nonce，实际上是个序列号。

Frame Type用于标识帧类型，有PADDING，PING，ACK，STREAM等等

帧格式

详情可以参考上面的rfc链接70页。控制帧比较繁杂，这里重点说下用于传输数据的stream帧；

frame Type

• Bit7必须设置为 1，表示 Stream 帧，一个udp通道可以发送多个流
• Bit6设置为 1，表示发送端在这个 stream 上已经结束发送数据，流将处于半关闭状态
• Bit5: 如果设置为 1，表示 Stream 头中包含 Data length 字段
• Bit4，3，2: 表示 offset 的长度。000 表示0字节，001表示2字节，010 表示3 字节，以此类推
• Bit1和0: 表示 Stream lD 的长度。00 表示1字节，01表示2字节，10 表示3字节，11 表示4字节

Stream ID:流 ID ，用于标识该包所属的流，流量控制和多路复用会涉及到。
Offset：表示该数据包在整个数据中的偏移量，用于排序。
Data Length：数据长度，标识实际应用数据长度。
Data：实际数据。

如何看待quic

quic面临的挑战

1. 路由器限制443端口
2. udp包过多可能会因为qos的限制被服务器商认为是网络攻击
3. 协议太新，网络设备还没有兼容
4. 标准尚未落地，开源库还没有经过充分验证，不建议直接跟进。