QUIC协议 – Jobs Lin

什么是QUIC

QUIC（Quick UDP Internet Connections）是一种由Google开发的新型网络传输协议，旨在通过UDP提供与TCP类似的可靠传输服务，同时解决传统TCP协议的延迟和拥塞控制问题。QUIC整合了TLS加密、流量控制、连接管理等功能，优化了传输性能，尤其是在高延迟和不稳定网络环境中表现出色。

QUIC所处的网络层次如下图所示。

QUIC的核心概念

连接ID：QUIC使用连接ID来标识连接，从而使得在网络地址（如IP和端口）变化时能够保持连接状态。
数据包：QUIC的数据包结构与传统UDP包不同，包含连接ID、包号、加密信息等，确保数据包的安全和可靠传输。
流（Stream）：QUIC中的流是数据传输的基本单位，每个流都有唯一的ID，可以独立传输，避免互相影响。
握手过程：QUIC将连接建立与TLS握手结合，使用1-RTT或0-RTT完成握手过程，极大地减少了连接延迟。

QUIC的数据包格式

QUIC的数据包分为Header和Data部分，其中Header是明文传输，包括Flags是标志位，Connection ID是连接ID，可用于连接迁移，QUIC Version是QUIC的版本号，Packet Number是包序号，用于保证可靠传输；Data部分是密文传输，是一些数据帧，有很多数据帧类型：Stream、ACK、Padding、Blocked等，其中Stream帧传输应用数据。

Stream

Frame Type: Bit7~Bit0

Bit7：必须设置为1，表示Stream帧
Bit6：如果设置为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
Bit432：表示offset的长度。000表示0字节，001表示1字节，002表示2字节，以此类推
Bit10：表示Stream ID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

建立连接

建立HTTPS连接

先分析一下HTTPS的握手过程，包括TCP握手和TLS(Transport Layer Security)握手，HTTPS连接耗时3个RTT。

QUIC基于TLS建立连接

QUIC实现了快速握手，并把握手过程分为两种情况，分别是1-RTT和0-RTT。

第一次握手：

客户端主动向服务器发送Inchoate CHLO报文
服务器会向客户端发送REJ报文。REJ报文包含了服务器的配置信息，如长期的Diffie-Hellman值，服务器配置的签名，source-address-token(stk, 用于验证的加密块，包含有服务器看到的客户端的IP地址和服务器当前的时间戳，之后客户端会将该stk发回)等，为了进行身份证明还会使用私钥进行签名，同时也可以防篡改；
在收到服务器的配置信息后，客户端会通过证书链机制验签，并实现对服务器的身份认证。
第二次握手：
客户端在通过对服务器的验证之后，客户端会生成一个Diffie-Hellman值。此时客户端有了自身和对方的Diffie-Hellman值，就可以计算出初始密钥（initial key, ik）；
客户端将包含有DH公开之的明文Complete CHLO发送至服务器；
客户端使用ik对请求数据加密，发送至服务器；
服务器收到Complete CHLO之后就可以获得客户端的Diffie-Hellman的值，就可以计算出初始密钥。
服务器立即向客户端发送SHLO报文（ik加密的）。SHLO报文含有一个服务器临时Diffie-Hellman值，可以用于计算前向安全的密钥（会话密钥）；
服务器收到加密的请求数据，使用初始密钥进行解密；
服务器使用会话密钥对响应数据进行加密，发回给客户端。
客户端在收到SHLO之后使用初始密钥解密得到服务器的临时DH公开值，根据该临时值计算出会话密钥；
客户端收到加密的响应数据后，使用会话密钥进行解密。
整个握手过程会在2个RTT内完成。

0-RTT

客户端在重连同一个服务器时，会使用已经缓存的服务器相关配置信息（stk，DH公开值等信息），并直接向服务器发送Complete CHLO报文，并使用ik对请求报文进行加密。但是服务器方面会标识相应的stk等信息已经过期，这时服务器会发送REJ信息，客户端需要重新与服务器进行连接。
如果没有过期的话，就可以直接建立连接，省下了重新建立连接的开销。

前向安全性

所谓前向安全性就是指，在最后一次握手时，会生成一个会话密钥sk。这样即使服务器的长期DH值被破获，且生成了初始密钥ik，也无法对会话中的数据进行解密。

多路复用机制

基于TCP的应用程序会在TCP单字节流抽象层中实现多路复用。为了避免由于TCP顺序传递导致的头部阻塞（head-of-line blocking），QUIC支持在单个UDP连接中复用多个流，并保证UDP报文的丢失仅影响相应的流，而不会影响其他的流（stream）。
可以在QUIC流上构建任意大小的应用程序报文，最多支持2的64次方的字节。并且stream的实现是轻量级的，即使消息报文很小也可以为它们使用单独的流。每一个Stream都有stream ID唯一标识。这些流ID由客户端/服务器进行静态分配。客户端主动发起的流的ID永远是奇数，服务器发起的流的ID是偶数。这样可以避免冲突。当在一个未使用过的流上发送数据时，流会自动创建；当需要关闭时，就会在最后一帧数据上设置一个FIN的标志指示接收方关闭流。如果发送方或接收方确定不再需要流上的数据，则可以取消流，而无需断开整个 QUIC 连接。尽管流是可靠的抽象，但 QUIC 不会为已取消的流重新传输数据。

连接迁移

QUIC连接使用随机生成的64bit的cid唯一确定。cid允许客户机在网络之间漫游，而不受网络或传输层参数变化的影响。

cid使得客户端能够独立于网络地址转换（network address translation, NAT）之外。cid 在路由中起着重要作用，特别是用于连接标识的目的。此外，使用 cids 可以通过探测连接的新路径实现多路径。
在连接迁移期间，端点假设对等方愿意在其当前地址接受数据包。因此，端点可以迁移到新的 IP 地址，而无需首先验证对等方的 IP 地址。新的路由路径可能不支持端点的当前发送速率。在这种情况下，端点需要重新构建它的拥塞控制器。另一方面，从一个新的对等地址接收非探测包，确认对等地址已迁移到新的 IP 地址。