什么是 HTTP/3 和 QUIC 协议？

最后更新于 26 6 月, 2024 由 Dionisie Gitlan

准备好提升网络性能了吗？本文将告诉你如何做到这一点。我们将探讨HTTP/3（使网络更快、更安全的最新协议）及其背后的强大技术QUIC。

我们将深入探讨这些协议的优势，包括速度和可靠性方面的改进，并坦诚地探讨其局限性。课程结束时，您将确切了解如何实施HTTP/3 和 QUIC以改善网络体验。

什么是 HTTP/3？
什么是 QUIC？
HTTP/3 如何工作？
HTTP/3 vs HTTP/2 vs HTTP/1
HTTP/3 和 QUIC 的优势
HTTP/3 和 QUIC 的局限性
HTTP/3 现在可用吗？
是否应该启用 HTTP/3？

什么是 HTTP/3？

HTTP/3是 HTTP（超文本传输协议）的最新版本，有助于在万维网上传输网页和其他内容。与以前依赖传输控制协议（TCP）的版本不同，HTTP/3 使用了一种名为QUIC 的新传输层协议。负责互联网协议标准化的互联网工程任务组（IETF）将 HTTP/3 定义为一项重大修订，旨在提高网络性能和安全性。

HTTP/3 是不断改进网络基本协议的最终成果。 HTTP/2 引入了多路复用、报头压缩和服务器推送等功能，但仍受到底层 TCP 的限制。 HTTP/3 通过加入 QUIC 解决了这些局限性，QUIC 承诺提供更快、更可靠的连接，尤其是在移动和无线网络等性能不稳定的网络上。

什么是 QUIC？

QUIC 是快速 UDP 互联网连接的缩写，是谷歌开发的一种传输层协议。它最初是为了解决 TCP 的缺点，尤其是速度和性能方面的缺点而开发的。 TCP 需要一系列握手和设置过程，会带来延迟，而 QUIC 则不同，它利用用户数据报协议（UDP），旨在更快地建立连接并减少延迟。

谷歌在 2012 年左右开始开发 QUIC 协议，旨在创建一个可以减少网络应用程序延迟、提高吞吐量并更好地适应不断变化的网络条件的协议。 2013 年，谷歌在 Chrome 浏览器及其服务器中采用了 QUIC 的早期版本。随着时间的推移，QUIC 在不同互联网工程师的贡献下不断发展，最终被 IETF 采用，成为 HTTP/3 的基础。

QUIC 是一种无连接协议，以 UDP 为基础，避免了与 TCP 连接相关的缓慢启动和多次往返。它集成了 传输层安全（TLS ) 用于端到端加密，简化了协议栈并增强了安全性。 QUIC 还具有先进的拥塞控制算法和机制，可在不造成严重延迟的情况下处理数据包丢失。

HTTP/3 如何工作？

下面将逐步介绍 HTTP/3 如何使用 QUIC 来提高网络数据传输的性能和可靠性：

建立连接：当客户端希望与服务器通信时，会使用 QUIC 传输协议启动握手。这种握手方式旨在比传统方法更快地建立连接。
连接 ID：在握手过程中，客户端和服务器会交换连接 ID。这些 ID 有助于保持连接状态，即使在 IP 地址发生变化时也能确保连续性。
单 TCP 连接：HTTP/2 在单个 TCP 连接上运行，可能会受到行头阻塞的影响，而 HTTP/3 则不同，它使用 QUIC 传输协议独立处理每个数据流。这样就可以单独处理每个数据流，而无需等待其他数据流，从而提高效率。
多个请求：建立连接后，客户端可通过同一 TCP 连接同时发送多个请求。每个请求都是多路复用、并行传输的，从而减少了延迟并缩短了加载时间。
连接迁移：如果客户端更换网络，如从 Wi-Fi 切换到移动数据，连接迁移可确保连接不中断。这要归功于连接 ID，它有助于在 IP 地址发生变化时保持会话。

HTTP/3 vs HTTP/2 vs HTTP/1

将 HTTP/3 与前代产品进行比较，我们可以清楚地看到它所带来的进步：

HTTP/1是网络通信请求-响应模型的原始应用层协议。它依赖于每个请求的单个 TCP 连接，由于多个请求需要单独的连接，导致效率低下和加载时间变慢。
HTTP/2在 HTTP/1 的基础上进行了改进，引入了多路复用功能，允许通过单个连接发送多个请求。它还带来了报头压缩和服务器推送等功能。不过，它仍然依赖于 TCP，而 TCP 可能会受到线头阻塞的影响。
HTTP/3通过使用 QUIC 进一步改进了这些功能。它允许多个数据流而不会阻塞，能建立更快的连接，并能更好地处理数据包丢失。与 HTTP/2 和 HTTP/1 相比，它的延迟更短，整体性能更好。

HTTP/3 和 QUIC 的优势

HTTP/3 和 QUIC 加密具有很大的优势，包括由于减少了握手延迟和多路复用流而加快了页面加载时间。内置加密等增强型安全功能可提供强大的保护，抵御常见威胁。此外，改进的连接可靠性和高效的资源利用率可确保即使在严峻的网络条件下也能实现最佳性能。

1.更快的页面加载时间

利用 QUIC 更快的连接建立速度，可以绕过传统的 TCP 握手过程。这使得设置阶段的时间大大缩短，对于缩短初始加载时间至关重要。与前代产品不同的是，QUIC 的连接建立只需一次往返时间 (RTT)，大大降低了延迟。

此外，QUIC 使用 UDP 而不是 TCP，可以实现更高效的纠错和数据包重传策略。丢失的数据包在重新传输时不会打乱其他数据包的顺序，从而进一步减少了延迟。

当与 HTTP/3 的优化头压缩和优先级相结合时，这将大大提高页面加载性能，使您的网络应用程序反应更灵敏，用户更友好。

2.增强的安全功能

QUIC 的传输层安全无缝且稳健。它采用前向保密技术，即使长期密钥被泄露，也能确保过去会话数据的安全。所使用的加密算法是最先进的，可提供强大的加密保证，并不断更新，以应对新出现的威胁。

此外，QUIC 使用经过验证的加密技术确保数据的保密性和完整性，防止未经授权的访问和修改。

与以前的 HTTP 版本相比，HTTP/3 将安全性放在首位，使其能够抵御各种攻击，如中间人攻击和重放攻击。

3.提高连接可靠性

HTTP/3 和 QUIC 通过最大限度地减少延迟和优化数据包传输，显著提高了连接可靠性，确保在各种网络条件下进行更稳定、更高效的数据传输。

实现这种可靠性的一个关键因素是连接迁移。当您在不同网络间切换时，例如从 Wi-Fi 切换到蜂窝网络，QUIC 可保持活动连接，而无需进行完全的握手重新协商。这种过渡可防止连接中断，从而改善用户体验。

此外，QUIC 先进的拥塞控制机制以其独特的适应性发挥了至关重要的作用。与使用单一拥塞控制算法的 TCP 不同，QUIC 允许使用更复杂、可插入的拥塞控制策略。这些算法可动态适应网络条件，减少数据包丢失和延迟。

QUIC 还采用前向纠错 (FEC)技术来提高可靠性。 FEC 允许接收器在不重传的情况下重建丢失的数据包，从而保持平稳的数据流。

4.高效利用资源

HTTP/3 和 QUIC 通过最大限度地减少冗余数据传输和增强拥塞控制机制来优化资源利用率。这些协议采用多路复用技术，通过单个连接同时处理多个请求，避免了困扰 HTTP/2 的行头阻塞问题。

此外，QUIC 先进的拥塞控制算法可根据实时网络状况动态调整数据流，确保最佳吞吐量，而不会使网络不堪重负。这种对数据包的智能管理提高了可靠性和速度，尤其是在波动的网络环境中。

另一个关键方面是压缩报头。 HTTP/3 使用QPACK 压缩算法，大大减少了与 HTTP 头相关的开销。通过更有效地压缩报头，QUIC 可最大限度地减少传输的数据量，从而节省带宽并缩短建立连接所需的时间。

HTTP/3 和 QUIC 的局限性

一些限制因素影响了 HTTP/3 和 QUIC 的实际使用。这些挑战包括与传统系统的兼容性、易受网络拥塞影响以及固有的安全实施挑战。

1.与现有系统的兼容性

尽管 QUIC 技术先进，但由于它依赖 UDP 而不是传统上更常用的 TCP，因此将其集成到现有网络基础设施中可能比较棘手。防火墙和路由器等网络设备通常针对 TCP 流量进行了优化，可能无法充分处理或阻止 UDP 流量，从而妨碍 QUIC 的功能。

此外，从 TCP 等面向连接的传输层协议过渡到 UDP 等无连接协议，需要对中间件进行大量修改。这些设备（包括 NAT 和安全设备）通常是为管理 TCP 流量而设计的，其算法可能无法无缝适应 UDP 的细微差别。

此外，传统系统和老式网络硬件可能缺乏必要的固件更新来支持 QUIC，从而导致用户体验不一致。

2.网络拥塞的影响

当发生数据包丢失时，QUIC 的快速重传策略旨在最大限度地减少延迟，但这些策略也会导致网络拥塞加剧。

TCP 采用更保守的拥塞控制算法，而 QUIC 不同，它的方法会使网络充斥重传，加剧拥塞，并可能造成更多的数据包丢失。

此外，虽然 QUIC 消除了传输层的线路阻塞，但其拥塞控制机制仍可能带来低效率。当数据包丢失并重新传输时，它们的到达顺序可能会被打乱，这就要求接收器在处理数据流之前等待丢失的数据包。

此外，QUIC 中的同时数据流可能会受到网络中共享瓶颈的影响，即多个数据流争夺相同的带宽。一个数据流的拥塞会影响整体吞吐量，导致各数据流的性能不均衡。

3.部署和采用率

由于将 HTTP/3 和 QUIC 协议与现有网络基础设施集成的复杂性以及全面性能测试的必要性，这些协议的广泛部署面临着种种限制。

网络运营商必须更新或替换与 QUIC 基于 UDP 的传输层不兼容的旧系统，这与传统的依赖 TCP 的 HTTP/2 形成鲜明对比。

另一个障碍是必须在各种网络条件下进行稳健的性能测试。您需要确保 HTTP/3 和 QUIC 在 HTTP/2 的基础上提供一致的性能改进，这需要进行严格而广泛的测试。

4.负载下的性能

尽管这些协议有望提高性能，但在同时建立大量连接时会出现瓶颈。虽然依赖 UDP 可以减少延迟，但也会带来潜在的数据包丢失问题，从而降低网络拥塞时的性能。

在无缝连接迁移方面，QUIC 在 IP 变化时保持会话的能力具有突破性意义。然而，这一功能可能是资源密集型的，需要大量的计算开销来确保状态同步和安全。在负载较重的情况下，这种开销会成为限制因素，可能会抵消 QUIC 的一些性能优势。

HTTP/3 现在可用吗？

网络浏览器普遍支持 HTTP/3。大多数主流浏览器，包括 Chrome、Firefox、Safari 和 Edge，都已支持该功能。这种全面采用可确保最终用户体验到 HTTP/3 的更高性能和更低延迟。不过，要想充分享受 HTTP/3 带来的好处，您的服务器基础设施和 CDN 服务必须符合 HTTP/3。

以下是一些支持 HTTP/3 的服务器和 CDN 提供商：