如何玩转 HTTP 3？

2020-02-21

作者 | 阿文

责编 | 郭芮

出品 | CSDN（ID：CSDNnews）

超文本传输协议（HyperText Transfer Protocol）是一种用于分布式、协作式和超媒体信息系统的应用层协议。自1990年代初以来，HTTP协议是整个Internet进行数据通信的基础。

在 HTTP/1.0 中，每一个TCP请求或响应都会被分配一个新的连接，这就导致了连接启动缓慢，在此之后，如何规避 TCP 启动慢就一直是 HTTP协议改善的核心。此后，在HTTP/1.1中引入了keep-alive 的概念，其允许在同一个 TCP 连接中对多个请求或响应进行序列号，从而使得不需要为每个请求都设置新的连接，避免建立新连接带来的网络开销。但是这个版本的keep-alive 连接不支持同时发送多个请求，随着互联网的迅猛发展又带来了新的问题：如何让数据发送效率提高？

在2015年，HTTP发布了第二个版本，即HTTP/2，进行了重大更新。例如：

在建立连接后，可以多路复用；
在建立连接后，一次的请求与被响应，视为流；
数据传输分为二进制帧片段。

而 HTTP/3是HTTP协议的第三个主要版本。在HTTP/3中，将弃用TCP协议，改为使用基于UDP协议的QUIC协议实现。实际上 HTTP/3 的前身是HTTP over QUIC，QUIC 是快速UDP网络连接的简称，由google 公司研发，该协议旨在取代TCP协议，使网页传输更快、更稳定、更安全。

2018年10月，互联网工程任务组（IETF） HTTP和QUIC工作组主席Mark Nottingham提出了将HTTP-over-QUIC更名为HTTP/3，以区分其特点以及与Google 公司的QUIC的独立性。

1.为什么使用UDP+QUIC？

实际上，在此前的HTTP协议中一直是使用TCP作为传输协议。为什么在HTTP/3中要换成UDP呢？众所周知，TCP 是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，在数据传输过程中其加入了序列号、对收到的保温进行排序以检测重复数据，数据重传、拥塞控制、使用校验和确保无错传输、流控制等。使用TCP 协议进行数据传输会经过三次握手，在连接创建过程中，很多参数要被初始化，例如序号被初始化以保证按序传输和连接的强壮性，其目的是保证数传输和断开的可靠，确保所有数据都被完全传输。因此很多对业务稳定性非常高的协议都一直采用TCP协议作为数据传输协议。

TCP 报头：

事实上，在HTTP/2 之前的版本中，都是采用TCP 进行数据传输的。而 HTTP/2 引入的多路复用技术改善了HTTP/1.1的keep-alive 带来的缺陷，但是当数据包丢失增加，HTTP/2的性能会由于TCP处理包重传的方式（HOL阻塞）而下降，从而大大影响效率。因为所有的流都是共享同一个连接，当数据包丢失超出阈值，HTTP/2的运行效率可能还不如HTTP/1的效率高。

而UDP协议则比较简单，其特点如下：

无需建立连接，因此UDP不会引入建立连接的时延；
没有TCP 那么复杂的报头，例如重传、序列号等等；
速度快，但是不保证数据的完整性。

其报头如下：

那么既然使用UDP进行数据传输如此不可靠，为什么 HTTP/3 会使用UDP？

事实上，这与整个互联网快速发展的大背景有关系。随着移动互联网快速发展以及物联网以及5G技术的逐步兴起，网络交互的场景越来越丰富，大量的音频、视频、直播等数据在网络传上传输，用户对网络传输效率和 WEB 响应速度的要求也越来越高。HTTP/3 协议当然不能单独使用UDP协议，它必须在QUIC的配合下才可以使用UDP，其把数据的完整性校验这一环节放在了UDP协议之上，QUIC的特点：

减少了 TCP 三次握手及 TLS 握手时间，使用TCP协议配合HTTPS，TLS 完全握手需要至少 2 个 RTT 才能建立，简化握手需要 1 个 RTT 的握手延迟，而QUIC在TLS握手时间上，由于建立在 UDP 的基础上，同时又实现了 0RTT 的安全握手，所以在大部分情况下，只需要 0 个 RTT 就能实现数据发送。

改进的拥塞控制，QUIC 协议当前默认使用了 TCP 协议的 Cubic 拥塞控制算法，同时也支持 CubicBytes, Reno, RenoBytes, BBR, PCC 等拥塞控制算法。

避免队头阻塞的多路复用，队头阻塞主要是 TCP 协议的可靠性机制引入的。上面说了TCP为了实现可靠性，使用了很多机制来保障数据的传输，例如使用序列号来标识数据的顺序，数据必须按照顺序处理，如果前面的数据丢失，后面的数据就算到达了也不会通知应用层来处理。而QUIC使用UDP，没有三次握手和连接，只需要用户端和服务端的应用程序支持 QUIC 协议，完全避开了操作系统和中间设备的限制，同时相比此前的HTTP/2的多路复用，QUIC 一个连接上的多个流之间没有依赖。这样可以更快地并行处理任务。

比TCP协议更安全，TCP 协议的头部没有加密和认证，在传输过程中很容易被篡改，注入和窃听。而 QUIC 除了个别报文比如 PUBLIC_RESET 和 CHLO，所有报文头部都是经过认证的，报文 Body 都是经过加密的。

能够连接迁移，什么是连接迁移？比如使用手机从无线网切换到移动5G，这时客户端的IP会改变，需要重新建立和服务端的 TCP 连接。而QUIC实现了任何一条 QUIC 连接不再以 IP 及端口进行标识，而是以一个 64 位的随机数作为 ID 来标识，这样当网络变化，IP和端口改变，只要 ID 不变，这条连接依然维持着，上层业务逻辑感知不到变化，不会中断，也就不需要重连。且由于这个ID是随机的，产生冲突的概率非常小。

更科学的流量控制器，TCP 为了保证可靠性，窗口左边沿向右滑动时的长度取决于已经确认的字节数。如果中间出现丢包，就算接收到了更大序号的 Segment，窗口也无法超过这个序列号。而QUIC 基于流和连接级别的流量控制，类似HTTP/2，通过window_update帧告诉对端自己可以接收的字节数，这样发送方就不会发送超过这个数量的数据。通过BlockFrame告诉对端由于流量控制被阻塞了，无法发送数据。就算此前有些数据包没有接收到，它的滑动只取决于接收到的最大偏移字节数。

2 如何使用 HTTP/3？

好了，介绍了HTTP/3，那么我们怎么才能够使用HTTP/3呢？事实上，现在很多云厂商都实现了 HTTP/3，比如腾讯云的负载均衡器、阿里云的CDN服务、CloudFlare等等。那么如果你是使用类似Nginx这样的Web服务器如何使用HTTP/3呢？

以Nginx 为例，实际上，Nginx 在 2019 年 3 月 21 日公布了 1.17.x 版本的路线图，其中谈到了支持 QUIC 和 HTTP/3 的计划。但是至今，Nginx 已经发布了 1.17.8 的版本，在最新的1.17.8的 CHANGES 中也没有发现HTTP/3的身影。估计如果希望原生的 Nginx 支持 HTTP/3 还需要继续等待。

可喜的是边缘计算厂商 CloudFlare 开源了 QUIC 的实现 quiche，使得 Nginx 提前支持 HTTP/3 ，quiche 项目地址: https://github.com/cloudflare/quiche/tree/master/extras/nginx 。

CloudFlare 已经成功在其CDN业务中实现了QUIC的部署，基于HTTP3 Quic的实现靠的就是他们开发的Quiche实现。

根据 quiche 的文档，需要下载源码和 Nginx 一同编译，而因为需要 BoringSSL 以及 quiche 开发语言的不同，在编译 Nginx 所需要的环境基础上，还需要 cmake、rust、cargo、golang 等一系列工具的支持。

安装步骤

1.下载的nginx并解压，注意，这个补丁只支持1.16.x。

curl -O https://nginx.org/download/nginx-1.16.1.tar.gz
tar xzvf nginx-1.16.1.tar.gz

2.克隆quiche：

git clone --recursive https://github.com/cloudflare/quiche

3.使用patch将补丁引入：

cd nginx-1.16.1
patch -p01 < ../quiche/extras/nginx/nginx-1.16.patch

4.构建nginx，使其支持 HTTP/3：

./configure                                 
       --prefix=$PWD                           
       --build="quiche-$(git --git-dir=../quiche/.git rev-parse --short HEAD)" 
       --with-http_ssl_module                  
       --with-http_v2_module                   
       --with-http_v3_module                   
       --with-openssl=../quiche/deps/boringssl 
       --with-quiche=../quiche

5.执行make：

make

6.然后配置nginx的vhost，一个HTTP/3的配置如下：

server {
  listen       80;
  # Enable HTTP/2 (optional).
  listen       443 ssl http2;
  # Enable QUIC and HTTP/3.
  listen 443 quic reuseport;

  server_name  www.awen.me;

  root   /vdata/www/default;
  index  index.html;

  ssl_certificate /usr/local/nginx/ssl/awen.me.crt;
  ssl_certificate_key /usr/local/nginx/ssl/awen.me.key;

  ssl_protocols TLSv1.2 TLSv1.3;
  ssl_ciphers ……

  # Add Alt-Svc header to negotiate HTTP/3.
  add_header alt-svc 'h3-23=":443"; ma=86400';
  ……
}

更具体的配置和说明，可以参考官方文档https://github.com/cloudflare/quiche/tree/master/extras/nginx。

QUIC 的实现原理是首先客户端发起 tcp 连接判断服务端响应头是否有 alt-svc 头，如有则尝试使用 udp 443 去进行连接。因此，我们看到上面的配置中 add_header alt-svc 'h3-23=":443"; ma=86400';，客户端请求类似如下：

Alt-Svc 全称为“Alternative-Service”，直译为“备选服务”。该头部列举了当前站点备选的访问方式列表。一般用于在提供 “QUIC” 等新兴协议支持的同时，实现向下兼容。

h3-23=":443" 这部分内容定义了替代服务使用的协议、主机名和端口，其中主机名和端口可选，多个替代服务之间用英文逗号分隔。

ma 是 max-age 的缩写，单位为秒。显然，它表示浏览器在指定时间内，可以直接使用替代服务地址。

客户端访问

1.浏览器配置

以Chrome 为例进行配置，开启 quic 的支持，chrome://flags 安装如图所示 Experimental QUIC protocol 设置为 enable 重启浏览器：

2.如何判断QUIC是否已经生效？

第一种方法是安装插件，在Chrome商店安装 HTTP/2 and SPDY indicator，右上角有个闪电图标会显示 google 已经开启 quic/43版本的支持。如图所示：

打开 chrome://net-internals/#quic 也可以看到当前使用 quic 协议的站点连接情况。第二种方式是通过wireshark抓包也可以看到QUIC的数据包。