# 3.7 HTTP/3 强势来袭

HTTP/3 现在还没正式推出,不过自 2017 年起, HTTP/3 已经更新到 34 个草案了,基本的特性已经确定下来了,对于包格式可能后续会有变化。

所以,这次 HTTP/3 介绍不会涉及到包格式,只说它的特性。

# 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,而美中不足的是 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。

比如下图中,Stream 2 有一个 TCP 报文丢失了,那么即使收到了 Stream 3 和 Stream 4 的 TCP 报文,应用层也是无法读取读取的,相当于阻塞了 Stream 3 和 Stream 4 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。

举个例子,如下图:

图中发送方发送了很多个 packet,每个 packet 都有自己的序号,你可以认为是 TCP 的序列号,其中 packet 3 在网络中丢失了,即使 packet 4-6 被接收方收到后,由于内核中的 TCP 数据不是连续的,于是接收方的应用层就无法从内核中读取到,只有等到 packet 3 重传后,接收方的应用层才可以从内核中读取到数据,这就是 HTTP/2 的队头阻塞问题,是在 TCP 层面发生的。

# 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。

另外, 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。

这些问题都是 TCP 协议固有的问题,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,这个大胆的决定,HTTP/3 做了!

HTTP/1 ~ HTTP/3

# QUIC 协议的特点

我们深知,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。

而且,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。

当然,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,所以不用担心数据包丢失的问题。

QUIC 协议的优点有很多,这里举例几个,比如:

  • 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。

而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。这与 HTTP/2 不同,HTTP/2 只要某个流中的数据包丢失了,其他流也会因此受影响。

所以,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。

# 更快的连接建立

对于 HTTP/1 和 HTTP/2 协议,TCP 和 TLS 是分层的,分别属于内核实现的传输层、openssl 库实现的表示层,因此它们难以合并在一起,需要分批次来握手,先 TCP 握手,再 TLS 握手。

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。

但是 HTTP/3 的 QUIC 协议并不是与 TLS 分层,而是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 TLS1.3,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

如下图右边部分,HTTP/3 当会话恢复时,有效负载数据与第一个数据包一起发送,可以做到 0-RTT:

# 连接迁移

在前面我们提到,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。

TCP 四元组

那么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。

而 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

了解完 QUIC 协议的特点后,我们再来看看 HTTP/3 协议在 HTTP 这一层做了什么变化。

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,于是 HTTP/3 的帧的结构也变简单了。

从上图可以看到,HTTP/3 帧头只有两个字段:类型和长度。

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。

所谓的动态表,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。

可以看到,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,那它是如何解决的呢?

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。

# 总结

HTTP/2 虽然具有多个流并发传输的能力,但是传输层是 TCP 协议,于是存在以下缺陷:

  • 队头阻塞,HTTP/2 多个请求跑在一个 TCP 连接中,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,就是多个请求被阻塞了;
  • TCP 和 TLS 握手时延,TCL 三次握手和 TLS 四次握手,共有 3-RTT 的时延;
  • 连接迁移需要重新连接,移动设备从 4G 网络环境切换到 WIFI 时,由于 TCP 是基于四元组来确认一条 TCP 连接的,那么网络环境变化后,就会导致 IP 地址或端口变化,于是 TCP 只能断开连接,然后再重新建立连接,切换网络环境的成本高;

HTTP/3 就将传输层从 TCP 替换成了 UDP,并在 UDP 协议上开发了 QUIC 协议,来保证数据的可靠传输。

QUIC 协议的特点:

  • 无队头阻塞,QUIC 连接上的多个 Stream 之间并没有依赖,都是独立的,也不会有底层协议限制,某个流发生丢包了,只会影响该流,其他流不受影响;
  • 建立连接速度快,因为 QUIC 内部包含 TLS1.3,因此仅需 1 个 RTT 就可以「同时」完成建立连接与 TLS 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,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;

另外 HTTP/3 的 QPACK 通过两个特殊的单向流来同步双方的动态表,解决了 HTTP/2 的 HPACK 队头阻塞问题。

期待,HTTP/3 正式推出的那一天!


参考资料:

  1. https://medium.com/faun/http-2-spdy-and-http-3-quic-bae7d9a3d484
  2. https://developers.google.com/web/fundamentals/performance/http2?hl=zh-cn
  3. https://blog.cloudflare.com/http3-the-past-present-and-future/
  4. https://tools.ietf.org/html/draft-ietf-quic-http-34
  5. https://tools.ietf.org/html/draft-ietf-quic-transport-34#section-17
  6. https://ably.com/topic/http3?amp%3Butm_campaign=evergreen&amp%3Butm_source=reddit&utm_medium=referral
  7. https://www.nginx.org.cn/article/detail/422
  8. https://www.bilibili.com/read/cv793000/
  9. https://www.chinaz.com/2020/1009/1192436.shtml

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上次更新: 8/24/2022, 12:19:33 AM