为什么 HTTP/3 基于UDP，可靠么？

对网络技术有一定研究的同学一定知道，HTTP/3竟然是基于UDP的。在很多同学的印象里，UDP属于一种非常低级的协议：传输不可靠，没有拥塞机制，把它用在准确可靠的万维网传输上，是一件不可想象的事情。

然而，真的是这样吗？我们先把吃惊的嘴合上，一起来看一下，为什么HTTP/3可以基于UDP，并且这还是一种非常聪明的选择。

要明白这个选择，我们首先就得消除一下对于UDP的误解。

1. UDP是最纯洁的传输层协议

实际上，UDP并不是像大家想象中的那样不可信，它只是因为简单，才让你有这样的认知。从另一个角度来说，它其实是最纯洁的传输层协议。

那么UDP在网络传输中，到底处于一个什么位置呢？我们需要简单看一下典型的网络分层。

物理层和连接层

• 物理层处于网络的最下层，它处理的消息，全部是1和0，这是硬件层面的东西，保证了我们的信息能够正常交流
• 连接层对这些1和0进行了初步的整合，组成了固定长度的信息帧(frame)，每个信息帧里面，都包含SRC和DST（这里是mac地址），得以让我们的两台机器进行点对点通信

这时候网络数据包还不能逃离局域网，想要更大规模的传输，就需要网络层的帮助。

网络层

为了让这些地址有意义， 网络层加入了IP协议，通过IP地址进行目标机器的定位，最后经过路由器的转换，由连接层负责具体信息的传输。比如我在下面的这个wireshark的抓包。

• EthernetII就是我们所说的连接层以太网，传输的信息是Frame
• 下面的是IPv4协议，表明了是一个IP包。

如果你去看一下IP的报文，会发现它的格式是非常怪异的，中间节点在路由的时候，需要走先解包然后再封包的过程。这是由于IP协议是网络层协议，它的头信息，比如IP地址，其实是连接层协议的报文体（playload）。

到了IP协议，我们已经离UDP很近了。

传输层

IP协议只是解决了计算机到计算机之间的通信问题，但我们每台机器上还会有不同的进程，如何区分它们呢？这就是传输层协议要干的事。

UDP和TCP协议，通过加入了端口号，来识别某一个进程。IP地址加上端口号，就是我们写代码需要面对的socket。现在的大多数网络通信，包括HTTP/1，HTTP/2等，都是基于TCP。

从协议层面来看，UDP其实是最干净的协议，它完完全全的暴露了IP协议的所有内容。相比较IP协议，它仅仅多了一个端口号，所以UDP协议拥有IP协议的所有特点。比如无序性，不保证可靠性（Best Effort）。至于拥塞机制这种更高级的流量协商控制，UDP根本就不管这些。

UDP这种没有特性的特性，使得应用面比TCP窄的多。我们通常把**TCP/IP**协议作为一个整体去介绍，以至于忽略了最原始最纯洁的UDP协议。

我们来看一下一个典型的UDP协议。如上图，相对于IP协议，UDP协议仅仅多了两个端口，一个长度，一个checksum，确实是无与伦比的纯洁。

2. TCP作为基础协议太复杂

你可能会问，TCP和UDP都是传输层协议，那为什么HTTP/3不是基于TCP呢？那是因为TCP本身就已经非常复杂了，有太多历史遗留的包袱。

为了保证信息的可靠传输，顺序传输，同时兼顾吞吐量，TCP做了大量工作。相比较UDP，我们可以看一下TCP的协议都多了哪些内容。如图，是一个wireshark抓取的，典型的TCP协议包。

我们常说的三次握手（四次合并成三次），四次挥手，就是Flags和序列号逻辑组合的结合体。如果加入了TLS安全协议，这个握手的过程会更长。

连接建立后，由于采用了一问一答的ACK确认模式，TCP的效率其实是不怎么高的。它要传输很多无用信息，还得等待。

为了提高网络传输效率，TCP使用滑动窗口来解决批量发送，同时解决顺序性问题。为了解决网络拥塞，TCP使用慢启动、拥塞避免、快速重传、快速恢复等机制，使得网络吞吐量保持在一定的水平。

我们可以看一下wikipedia上TCP协议的一张细节图，在《TCP/IP详解 卷一：协议》中，对此进行了非常详细的介绍。可以看到细节问题还是非常多的。

那什么叫做协议？协议，就是规定了大家都遵守的标准，所有协议都是利益共同体共同商定的结果。比如我的分布式数据库使用了MySQL的接入层协议，那么就要遵循MySQL协议所制定的一系列标准，否则就跑不起来。

**协议越底层，对稳定性要求就越高。**TCP协议，目前已经被编码到了操作系统，不论是协议升级，还是BUG修复，都是伤筋动骨的。

3. 为什么UDP可行？

为了抛开历史的包袱，HTTP/3选择了UDP，主要是为了解决对头阻塞问题。它的底层协议，就是大名鼎鼎的QUIC，一个运行在传输层（也可以说是应用层）的协议。与TCP不同的是，QUIC代码并没有硬编码在操作系统内核中，而是完全运行在用户空间的，默认集成了TLS。

如上图所示，HTTP/3基于QUIC，而QUIC是完全基于UDP的。

但UDP不是号称无连接的么？它怎么去实现可靠性等一些额外的功能呢？

其实，连接这个词，是一个虚拟的概念，在网络中根本就没有连接这么一条线，连接只是为了方便你逻辑上的理解。考虑到你现在的客户端服务器是client，服务端是server。那么client和server的数据包交互，就可能会有下面这种行走路径。

在没有数据交互的时候，server和client就是单纯的两个点。即使你拔了网线重新插上（期间无交互），它们依然可以继续相互间发送数据。

UDP号称的无连接，其实和TCP的连接没什么两样。唯一的区别是，UDP把数据包发送之后，就什么也不管了，这些信息对端可能收到了，也可能没收到。而当每次都对发送的数据进行ACK确认，它就变成了TCP。

至于这部分确认代码，是放在传输层，还是放在应用层，这都关系不大；但代码是放在操作系统，还是可以独立升级的包中，那关系可就大了。

QUIC是可以独立于操作系统发行的，避免了操作系统缓慢的更新换代问题。QUIC的实现，依然要面对消息的可靠性、滑动窗口、拥塞控制等场景，你可以认为它就是一个TCP，但它与TCP有本质的区别。

这些区别，我们对比一下HTTP的各个版本，在数据传输方面的表现就知道了了。

1. 在比较早的HTTP1.0实现中，如果需要从服务端获取大量资源，会开启N条TCP短链接，并行的获取信息。但由于TCP的三次握手和四次挥手机制，在连接数量增加的时候，整体的代价就变得比较大
2. 在HTTP/1.1中，通过复用长连接，来改善这个情况，但问题是，由于TCP的消息确认机制和顺序机制以及流量控制策略的原因，资源获取必须要排队使用。一个请求，需要等待另外一个请求传输完毕，才能开始
3. HTTP/2采用多路复用，多个资源可以共用一个连接。 但它解决的只是应用层的复用，在TCP的传输上依然是阻塞的，后面的资源需要等待前面的传输完毕才能继续。这就是队头阻塞现象(Head-of-line blocking)
4. QUIC抽象出了一个stream（流）的概念，多个流，可以复用一条连接，那么滑动窗口这些概念就不用作用在连接上了，而是作用在stream上。由于UDP只管发送不管成功与否的特性，这些数据包的传输就能够并发执行。协议的server端，会解析并缓存这些数据包，进行组装和整理等。由于抽象出了stream的概念，就使得某个数据包传输失败，只会影响个stream的准确性，而不是整个连接的准确性

End

了解了以上内容，相信你一定能得出结论：HTTP/3基于UDP，是非常靠谱的。它不仅实现了可靠性传输，而且能够获得较大的性能提升。我们来总结一下QUIC的这些改进：

1. QUIC能够实现TCP协议的所有功能性需求，并集成了TLS，功能上赶超了TCP
2. 一条连接，多个stream并发传输，真正的多路复用，有效解决队头阻塞现象，性能上超越了TCP
3. 减少握手次数，尤其是带TSL传输的握手次数，有更低的握手延迟
4. 由于易于升级，为协议的更新和发展，提供了巨大的想象空间

QUIC产生的原因，主要是由于TCP的限制所引起的。连接是一种非常宝贵的资源，创建、销毁，以及其上的传输，都是非常耗时的。TCP的可靠性机制，在计算机网络发展的早期，确实是非常有效的，但随着硬件的升级，它的ACK传输模式，在效率上制约了更高性能的发展。由于TCP标准的概念深入人心，它的代码甚至直接存在于内核上，使得协议升级困难。

随着网络基础设施的提升，TCP的这种可靠传输模式，反而成了制约。如果我们的信息处理，能够全部在一条连接上完成，那就太好了。这样，在一些密集的资源传输时，比如批量小图片、视频点播、弱网传输时，就不会受到RTT的影响。另外我的数据缓存和拥塞控制等，也会更加灵活。举个极端的例子，我的内存足够大能把stream缓存起来，我甚至能够忍受某个1MB大小的文件，10秒钟后文件的第一个字节到达，而不是像TCP一样一直重传重传（因为它受限于TCP窗口）。

为什么能够这么做呢？还是得益于UDP纯洁的属性，它只是IP协议的一个编程接口，它真的是一张白纸，什么都没有。如果你愿意，你甚至可以在UDP的基础上，完全复刻TCP的所有功能，只要你能把server端和client端对应起来。这就是QUIC所做的。

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