HTTP/3优势分析

美中不足的HTTP/2

• HTTP/2 通过头部压缩、二进制编码、多路复用、服务器推送等新特性大幅度提升了 HTTP/1.1 的性能

• 不足的是 HTTP/2 协议是基于 TCP 实现的，于是存在的缺陷有三个

  • 队头阻塞；

  • TCP 与 TLS 的握手时延迟；

  • 网络迁移需要重新连接

• 队头阻塞

  • HTTP/2 多个请求是跑在一个 TCP 连接中的，那么当 TCP 丢包时，整个 TCP 都要等待重传，那么就会阻塞该 TCP 连接中的所有请求。

  • 因为 TCP 是字节流协议，TCP 层必须保证收到的字节数据是完整且有序的，如果序列号较低的 TCP 段在网络传输中丢失了，即使序列号较高的 TCP 段已经被接收了，应用层也无法从内核中读取到这部分数据，从 HTTP 视角看，就是请求被阻塞了。

• TCP与TLS的握手时延迟

  • 发起 HTTP 请求时，需要经过 TCP 三次握手和 TLS 四次握手（TLS 1.2）的过程，因此共需要 3 个 RTT 的时延才能发出请求数据。

  • TCP 由于具有「拥塞控制」的特性，所以刚建立连接的 TCP 会有个「慢启动」的过程，它会对 TCP 连接产生“减速”效果

• 网络迁移需要重新连接

  • 一个 TCP 连接是由四元组（源 IP 地址，源端口，目标 IP 地址，目标端口）确定的，这意味着如果 IP 地址或者端口变动了，就会导致需要 TCP 与 TLS 重新握手，这不利于移动设备切换网络的场景，比如 4G 网络环境切换成 WiFi。

• 无论应用层的 HTTP/2 在怎么设计都无法逃脱。要解决这个问题，就必须把传输层协议替换成 UDP

QUIC协议的特点

• UDP 是一个简单、不可靠的传输协议，而且是 UDP 包之间是无序的，也没有依赖关系。

• UDP 是不需要连接的，也就不需要握手和挥手的过程，所以天然的就比 TCP 快。

• HTTP/3 不仅仅只是简单将传输协议替换成了 UDP，还基于 UDP 协议在「应用层」实现了 QUIC 协议，它具有类似 TCP 的连接管理、拥塞窗口、流量控制的网络特性，相当于将不可靠传输的 UDP 协议变成“可靠”的了

• QUIC协议的优点

  • 无队头阻塞；

  • 更快的连接建立；

  • 连接迁移

• 无队头阻塞

  • QUIC 协议也有类似 HTTP/2 Stream 与多路复用的概念，也是可以在同一条连接上并发传输多个 Stream，Stream 可以认为就是一条 HTTP 请求。

  • 由于 QUIC 使用的传输协议是 UDP，UDP 不关心数据包的顺序，如果数据包丢失，UDP 也不关心。

  • 不过 QUIC 协议会保证数据包的可靠性，每个数据包都有一个序号唯一标识。

  • 当某个流中的一个数据包丢失了，即使该流的其他数据包到达了，数据也无法被 HTTP/3 读取，直到 QUIC 重传丢失的报文，数据才会交给 HTTP/3。

  • 其他流的数据报文只要被完整接收，HTTP/3 就可以读取到数据。

  • QUIC 连接上的多个 Stream 之间并没有依赖，都是独立的，某个流发生丢包了，只会影响该流，其他流不受影响。

• 更快连接建立

  • HTTP/3 在传输数据前虽然需要 QUIC 协议握手，这个握手过程只需要 1 RTT，握手的目的是为确认双方的「连接 ID」，连接迁移就是基于连接 ID 实现的。

  • QUIC 内部包含了 TLS，它在自己的帧会携带 TLS 里的“记录”，再加上 QUIC 使用的是 TLS 1.3，因此仅需 1 个 RTT 就可以「同时」完成建立连接与密钥协商，甚至在第二次连接的时候，应用数据包可以和 QUIC 握手信息（连接信息 + TLS 信息）一起发送，达到 0-RTT 的效果。

• 连接迁移

  • 基于 TCP 传输协议的 HTTP 协议，由于是通过四元组（源 IP、源端口、目的 IP、目的端口）确定一条 TCP 连接。

  • 当移动设备的网络从 4G 切换到 WiFi 时，意味着 IP 地址变化了，那么就必须要断开连接，然后重新建立连接，而建立连接的过程包含 TCP 三次握手和 TLS 四次握手的时延，以及 TCP 慢启动的减速过程，给用户的感觉就是网络突然卡顿了一下，因此连接的迁移成本是很高的。

  • QUIC 协议没有用四元组的方式来“绑定”连接，而是通过连接 ID 来标记通信的两个端点，客户端和服务器可以各自选择一组 ID 来标记自己，因此即使移动设备的网络变化后，导致 IP 地址变化了，只要仍保有上下文信息（比如连接 ID、TLS 密钥等），就可以“无缝”地复用原连接，消除重连的成本，没有丝毫卡顿感，达到了连接迁移的功能

HTTP/3协议

• HTTP/3 同 HTTP/2 一样采用二进制帧的结构，不同的地方在于 HTTP/2 的二进制帧里需要定义 Stream，而 HTTP/3 自身不需要再定义 Stream，直接使用 QUIC 里的 Stream

• 根据帧类型的不同，大体上分为数据帧和控制帧两大类，Headers 帧（HTTP 头部）和 DATA 帧（HTTP 包体）属于数据帧。

• HTTP/3 在头部压缩算法这一方面也做了升级，升级成了 QPACK

• 与 HTTP/2 中的 HPACK 编码方式相似，HTTP/3 中的 QPACK 也采用了静态表、动态表及 Huffman 编码

• 对于静态表的变化，HTTP/2 中的 HPACK 的静态表只有 61 项，而 HTTP/3 中的 QPACK 的静态表扩大到 91 项。

• HTTP/2 和 HTTP/3 的 Huffman 编码并没有多大不同，但是动态表编解码方式不同。

• 动态表，在首次请求-响应后，双方会将未包含在静态表中的 Header 项更新各自的动态表，接着后续传输时仅用 1 个数字表示，然后对方可以根据这 1 个数字从动态表查到对应的数据，就不必每次都传输长长的数据，大大提升了编码效率。

• 动态表是具有时序性的，如果首次出现的请求发生了丢包，后续的收到请求，对方就无法解码出 HPACK 头部，因为对方还没建立好动态表，因此后续的请求解码会阻塞到首次请求中丢失的数据包重传过来。

• HTTP/3 的 QPACK 解决了这一问题

  • QUIC 会有两个特殊的单向流，所谓的单向流只有一端可以发送消息，双向则指两端都可以发送消息，传输 HTTP 消息时用的是双向流，这两个单向流的用法

    • 一个叫 QPACK Encoder Stream，用于将一个字典（Key-Value）传递给对方，比如面对不属于静态表的 HTTP 请求头部，客户端可以通过这个 Stream 发送字典；

    • 一个叫 QPACK Decoder Stream，用于响应对方，告诉它刚发的字典已经更新到自己的本地动态表了，后续就可以使用这个字典来编码了。

• 这两个特殊的单向流是用来同步双方的动态表，编码方收到解码方更新确认的通知后，才使用动态表编码 HTTP 头部