一文讀懂 HTTP/1、HTTP/2、HTTP/3
一、HTTP1.1 與 HTTP2
1. HTTP1.1 的缺陷
- 高延遲 — 隊頭阻塞(Head-Of-Line Blocking)
- 無狀態特性 — 阻礙交互
- 明文傳輸 — 不安全性
- 不支持服務端推送
2. 隊頭阻塞
隊頭阻塞是指當順序發送的請求序列中的一個請求因為某種原因被阻塞時，在后面排隊的所有請求也一并被阻塞，會導致客戶端遲遲收不到數據。
針對隊頭阻塞：
- 將同一頁面的資源分散到不同域名下，提升連接上限。雖然能公用一個 TCP 管道，但是在一個管道中同一時刻只能處理一個請求，在當前的請求沒有結束之前，其他的請求只能處于阻塞狀態。
- 減少請求數量
- 內聯一些資源：css、base64 圖片等
- 合并小文件減少資源數
3. 無狀態特性
無狀態是指協議對于連接狀態沒有記憶能力。純凈的 HTTP 是沒有 cookie 等機制的，每一個連接都是一個新的連接。上一次請求驗證了用戶名密碼，而下一次請求服務器并不知道它與上一條請求有何關聯，換句話說就是掉登錄態。
4. 不安全性
傳輸內容沒有加密，中途可能被篡改和劫持。
5. SPDY 協議
SPDY 是由 google 推行的改進版本的 HTTP1.1 (那時候還沒有 HTTP2)。
特性：
- 多路復用 — 解決隊頭阻塞
- 頭部壓縮 — 解決巨大的 HTTP 頭部
- 請求優先級 — 先獲取重要數據
- 服務端推送 — 填補空缺
- 提高安全性
6. 多路復用
SPDY 允許在一個連接上無限制并發流。因為請求在一個通道上，TCP 效率更高(參考 TCP 擁塞控制中的慢啟動 https://zhuanlan.zhihu.com/p/37379780)。更少的網絡連接，發出更密集的包。
7. 頭部壓縮
使用專門的 HPACK 算法，每次請求和響應只發送差異頭部，一般可以達到 50% ~90% 的高壓縮率。
8. 請求優先級
雖然無限的并發流解決了隊頭阻塞的問題，但如果帶寬受限，客戶端可能會因防止堵塞通道而阻止請求。在網絡通道被非關鍵資源堵塞時，高優先級的請求會被優先處理。
9. 服務端推送
服務端推送(ServerPush)，可以讓服務端主動把資源文件推送給客戶端。當然客戶端也有權利選擇是否接收。
10. 提高安全性
支持使用 HTTPS 進行加密傳輸。
二、HTTP2
HTTP2 基于 SPDY，專注于性能，最大的一個目標是在用戶和網站間只用一個連接。
新增特性：
- 二進制分幀 - HTTP2 性能增強的核心
- 多路復用 - 解決串行的文件傳輸和連接數過多
1. 二進制分幀
首先，HTTP2 沒有改變 HTTP1 的語義，只是在應用層使用二進制分幀方式傳輸。因此，也引入了新的通信單位：幀、消息、流。
分幀有什么好處?服務器單位時間接收到的請求數變多，可以提高并發數。最重要的是，為多路復用提供了底層支持。
2. 多路復用
一個域名對應一個連接，一個流代表了一個完整的請求-響應過程。幀是最小的數據單位，每個幀會標識出該幀屬于哪個流，流也就是多個幀組成的數據流。多路復用，就是在一個 TCP 連接中可以存在多個流。演示
三、HTTP2 的缺陷
- TCP 以及 TCP+TLS 建立連接的延時
- TCP 的隊頭阻塞并沒有徹底解決
- 多路復用導致服務器壓力上升
- 多路復用容易 Timeout
1. 建連延時
TCP 連接需要和服務器進行三次握手，即消耗完 1.5 個 RTT 之后才能進行數據傳輸。
TLS 連接有兩個版本—— TLS1.2 和 TLS1.3，每個版本建立連接所花的時間不同，大致需要 1~2 個 RTT。
RTT(Round-Trip Time):往返時延。表示從發送端發送數據開始，到發送端收到來自接收端的確認(接收端收到數據后便立即發送確認)，總共經歷的時延。
2. 隊頭阻塞沒有徹底解決
TCP 為了保證可靠傳輸，有一個“超時重傳”機制，丟失的包必須等待重傳確認。HTTP2 出現丟包時，整個 TCP 都要等待重傳，那么就會阻塞該 TCP 連接中的所有請求。
RTO：英文全稱是 Retransmission TimeOut，即重傳超時時間;RTO 是一個動態值，會根據網絡的改變而改變。RTO 是根據給定連接的往返時間 RTT 計算出來的。接收方返回的 ack 是希望收到的下一組包的序列號。
3. 多路復用導致服務器壓力上升
多路復用沒有限制同時請求數。請求的平均數量與往常相同，但實際會有許多請求的短暫爆發，導致瞬時 QPS 暴增。
4. 多路復用容易 Timeout
大批量的請求同時發送，由于 HTTP2 連接內存在多個并行的流，而網絡帶寬和服務器資源有限，每個流的資源會被稀釋，雖然它們開始時間相差更短，但卻都可能超時。
即使是使用 Nginx 這樣的負載均衡器，想正確進行節流也可能很棘手。其次，就算你向應用程序引入或調整排隊機制，但一次能處理的連接也是有限的。如果對請求進行排隊，還要注意在響應超時后丟棄請求，以避免浪費不必要的資源。(引用：https://www.lucidchart.com/techblog/2019/04/10/why-turning-on-http2-was-a-mistake/)
四、QUIC
1. 簡介
Google在推 SPDY 的時候就已經意識到了這些問題，于是就另起爐灶搞了一個基于 UDP 協議的 QUIC 協議。而這個就是 HTTP3。它真正“完美”地解決了“隊頭阻塞”問題。
2. 主要特點
- 改進的擁塞控制、可靠傳輸
- 快速握手
- 集成了 TLS 1.3 加密
- 多路復用
- 連接遷移
3. 改進的擁塞控制、可靠傳輸
從擁塞算法和可靠傳輸本身來看，QUIC 只是按照 TCP 協議重新實現了一遍，那么 QUIC 協議到底改進在哪些方面呢?主要有如下幾點：
(1) 可插拔 — 應用程序層面就能實現不同的擁塞控制算法。
一個應用程序的不同連接也能支持配置不同的擁塞控制。應用程序不需要停機和升級就能實現擁塞控制的變更，可以針對不同業務，不同網絡制式，甚至不同的 RTT，使用不同的擁塞控制算法。
關于應用層的可插拔擁塞控制模擬，可以對 socket 上的流為對象進行實驗。
(2) 單調遞增的 Packet Number — 使用 Packet Number 代替了 TCP 的 seq。
每個 Packet Number 都嚴格遞增，也就是說就算 Packet N 丟失了，重傳的 Packet N 的 Packet Number 已經不是 N，而是一個比 N 大的值。而 TCP 重傳策略存在二義性，比如客戶端發送了一個請求，一個 RTO 后發起重傳，而實際上服務器收到了第一次請求，并且響應已經在路上了，當客戶端收到響應后，得出的 RTT 將會比真實 RTT 要小。當 Packet N 唯一之后，就可以計算出正確的 RTT。
(3) 不允許 Reneging — 一個 Packet 只要被 Ack，就認為它一定被正確接收。
Reneging 的意思是，接收方有權把已經報給發送端 SACK(Selective Acknowledgment) 里的數據給丟了(如接收窗口不夠而丟棄亂序的包)。
QUIC 中的 ACK 包含了與 TCP 中 SACK 等價的信息，但 QUIC 不允許任何(包括被確認接受的)數據包被丟棄。這樣不僅可以簡化發送端與接收端的實現難度，還可以減少發送端的內存壓力。
(4) 前向糾錯(FEC)
早期的 QUIC 版本存在一個丟包恢復機制，但后來由于增加帶寬消耗和效果一般而廢棄。FEC 中，QUIC 數據幀的數據混合原始數據和冗余數據，來確保無論到達接收端的 n 次傳輸內容是什么，接收端都能夠恢復所有 n 個原始數據包。FEC 的實質就是異或。示意圖：
(5) 更多的 Ack 塊和增加 Ack Delay 時間。
QUIC 可以同時提供 256 個 Ack Block，因此在重排序時，QUIC 相對于 TCP(使用 SACK)更有彈性，這也使得在重排序或丟失出現時，QUIC 可以在網絡上保留更多的在途字節(https://blog.csdn.net/u014023993/article/details/85299434)。在丟包率比較高的網絡下，可以提升網絡的恢復速度，減少重傳量。
TCP 的 Timestamp 選項存在一個問題：發送方在發送報文時設置發送時間戳，接收方在確認該報文段時把時間戳字段值復制到確認報文時間戳，但是沒有計算接收端接收到包到發送 Ack 的時間。這個時間可以簡稱為 Ack Delay，會導致 RTT 計算誤差。現在就是把這個東西加進去計算 RTT 了。
(6) 基于 stream 和 connection 級別的流量控制。
為什么需要兩類流量控制呢?主要是因為 QUIC 支持多路復用。Stream 可以認為就是一條 HTTP 請求。Connection 可以類比一條 TCP 連接。多路復用意味著在一條 Connetion 上會同時存在多條 Stream。
QUIC 接收者會通告每個流中最多想要接收到的數據的絕對字節偏移。隨著數據在特定流中的發送，接收和傳送，接收者發送 WINDOW_UPDATE 幀，該幀增加該流的通告偏移量限制，允許對端在該流上發送更多的數據。
除了每個流的流控制外，QUIC 還實現連接級的流控制，以限制 QUIC 接收者愿意為連接分配的總緩沖區。連接的流控制工作方式與流的流控制一樣，但傳送的字節和最大的接收偏移是所有流的總和。
最重要的是，我們可以在內存不足或者上游處理性能出現問題時，通過流量控制來限制傳輸速率，保障服務可用性。
4. 快速握手
由于 QUIC 是基于 UDP 的，所以 QUIC 可以實現 0-RTT 或者 1-RTT 來建立連接，可以大大提升首次打開頁面的速度。
5. 集成了 TLS 1.3 加密
TLS 1.3 支持 3 種基本密鑰交換模式：
- (EC)DHE (基于有限域或橢圓曲線的 Diffie-Hellman)
- PSK - only
- PSK with (EC)DHE
在完全握手情況下，需要 1-RTT 建立連接。TLS1.3 恢復會話可以直接發送加密后的應用數據，不需要額外的 TLS 握手，也就是 0-RTT。
TLS 1.3 0-RTT 簡單原理示意(基于 DHE)：
但是 TLS1.3 也并不完美。TLS 1.3 的 0-RTT 無法保證前向安全性(Forward secrecy)。簡單講就是，如果當攻擊者通過某種手段獲取到了 Session Ticket Key，那么該攻擊者可以解密以前的加密數據。
要緩解該問題可以通過設置使得與 Session Ticket Key 相關的 DH 靜態參數在短時間內過期(一般幾個小時)。
6. 多路復用
QUIC 是為多路復用從頭設計的，攜帶個別流的的數據的包丟失時，通常只影響該流。QUIC 連接上的多個 stream 之間并沒有依賴，也不會有底層協議限制。假如 stream2 丟了一個包，也只會影響 stream2 的處理。
7. 連接遷移
TCP 是按照 4 要素(客戶端 IP、端口, 服務器 IP、端口)確定一個連接的。而 QUIC 則是讓客戶端生成一個 Connection ID (64 位)來區別不同連接。只要 Connection ID 不變，連接就不需要重新建立，即便是客戶端的網絡發生變化。由于遷移客戶端繼續使用相同的會話密鑰來加密和解密數據包，QUIC 還提供了遷移客戶端的自動加密驗證。
五、挑戰
1. NAT 概念
為了解決 IP 地址不足的問題，NAT 給一個局域網絡只分配一個 IP 地址，這個網絡內的主機，則分配私有地址，這些私有地址對外是不可見的，他們對外的通信都要借助那個唯一分配的 IP 地址。所有離開本地網絡去往 Internet 的數據報的源 IP 地址需替換為相同的 NAT，區別僅在于端口號不同。
2. 原因
TCP 和 UDP 的報文頭部不同導致 NAT 問題的出現。
(1) NAT 設備的端口記憶問題
對于基于 TCP 的 HTTP、HTTPS 傳輸，NAT 設備可以根據 TCP 報文頭的 SYN/FIN 狀態位，知道通信什么時候開始，什么時候結束，對應記憶 NAT 映射的開始和結束。
但是基于 UDP 傳輸的 HTTP3 ，不存在 SYN/FIN 狀態位。NAT 設備的記憶如果短于用戶會話時間，則用戶會話會中斷。NAT 設備的記憶時間如果長于用戶會話時間，則意味著 NAT 設備的端口資源會被白白占用。
最直接的解決方案是，在 QUIC 的頭部模仿 TCP 的 SYN/FIN 狀態，讓沿途的 NAT 設備知道會話什么時候開始、什么時候結束。但這需要升級全球所有的 NAT 設備的軟件。
另外一個可行的方案是，讓 QUIC 周期性地發送 Keepalive 消息，刷新 NAT 設備的記憶，避免 NAT 設備自動釋放。
(2) NAT 設備禁用 UDP
在一些 NAT 網絡環境下(如某些校園網)，UDP 協議會被路由器等中間網絡設備禁止，這時客戶端會直接降級，選擇 HTTPS 等備選通道，保證正常業務請求。
(3) NGINX 負載均衡問題概念
QUIC 客戶端存在網絡制式切換，就算是同一個移動機房，可能第一次業務請求時會落到 A 這臺服務器，后續再次連接，就會落到 B 實例上，重復走 1-RTT 的完整握手流程。
(4) 全局握手緩存
為所有 QUIC 服務器實例建立一個全局握手緩存。當用戶網絡發生切換時，下一次的業務請求無論是落到哪一個機房或哪一臺實例上，握手建連都會是 0-RTT。
六、歷代 HTTP 速度測試
七、結尾
從古至今實時數據傳輸(音頻、視頻、游戲等)都面臨卡頓、延遲等問題，而 QUIC 基于 UDP 的架構和改進的重傳等特性，能夠有效的提升用戶體驗。目前B 站 也已經接入 QUIC。
如果想要自己體驗 QUIC，可以使用 Libquic、Caddy 等。另外 github 上面也有 C++版本的 QUIC 實現，利用 Nodejs 的 C++ 模塊，前端工程師也可以快速實現一個 node-quic。
