文章目录

一、概述
二、TCP 协议 & QUIC协议
- 2.1 TCP 协议
- 2.2 QUIC协议
三、QUIC 特性
- 3.1 避免前序包阻塞
- 3.2 减少数据包
- 3.3 向前纠错
- 3.4 会话重启和并行下载
四、总结
五、参考

一、概述

QUIC（Quick UDP Internet Connections）协议是一种全新的基于 UDP 的 web 开发协议(应用层协议)。

本文主要来分一下 QUIC 协议相对于 TCP 协议的优势。

二、TCP 协议 & QUIC协议

2.1 TCP 协议

我们知道，TCP协议是传输层协议，是一个面向连接，且可靠的的协议。因为TCP协议是面向连接的，所以在建立通信前需要进行3次握手。如果是 TCP+TLS 协议(HTTPS)，那么建立连接前的通信次数更多。因此 TCP 协议连接建立的成本相对较高，通常我们会通过服用连接来降低这部分的开销。

同样是传输层的 UDP协议是无连接协议，它的特点是传输速度快，但是可能存在丢包的问题(通信前不需要建立连接)。

2.2 QUIC协议

我们知道，HTTP协议在传输层依赖的是TCP协议，数据的完整性是依赖TCP协议来实现的。相对于UDP协议传输速度快，TCP协议因为需要保证数据的完整性，所以会做很多的保护措施：如建立连接；如：顺序传输数据，如果出现传输失败，要进行失败重试的操作。

QUIC协议：

QUIC 协议如果要提升数据传输速度，就得利用UDP协议。但由于UDP协议不可靠，因此数据的完整性这部分功能就需要应用层的QUIC协议来实现。

QUIC 协议的优点：可以在 1 到 2 个数据包内，完成连接的创建，如下图所示。

协议分层如下图所示：

三、QUIC 特性

如果QUIC协议实现数据完成性的方案与TCP是一致的，那QUIC协议就没有什么优势了，无非是将功能的实现从传入层放到了应用层。所以QUIC协议肯定是通过了其它的方案来实现数据的完整性校验。

3.1 避免前序包阻塞

TCP的拥塞问题。

SPDY 和 HTTP/2 协议现在都支持将页面的多个数据（如图片、js 等）通过一个数据链接进行传输。该特性能够加快页面组件的传输速度，但是对于 TCP 协议来说，这会遇到前序包阻塞的问题。这是由于 TCP 协议在处理包时是有严格顺序的，当其中一个数据包遇到问题，TCP 连接需要等待这个包完成重传之后才能继续进行。因此，即使逻辑上一个 TCP 连接上并行的在进行多路数据传输，其他毫无关联的数据也会因此阻塞。

QUIC 协议直接通过底层使用 UDP 协议天然的避免了该问题。由于 UDP 协议没有严格的顺序，当一个数据包遇到问题需要重传时，只会影响该数据包对应的资源，其他独立的资源（如其他 css、js 文件）不会受到影响。

3.2 减少数据包

建立连接的通信次数少。

前文已经介绍过 QUIC 协议在创建连接握手时，只需要 1 到 2 个数据包即可。这对于拥有高速互联网连接的网络环境下可能没有太大的感觉，因为此时一个数据包的延时大概在 10～50ms 之间。

一般来说延迟在 50ms 之内不会有太大的感觉。但是对于无线网络来说，情况就不太一样了。且不说传统 2G/3G 网络，即使是 4G 网络，客户端和服务器之间的延时也通常在 100ms 以上。传统 TCP+TLS 协议的传输方式，在创建连接时的 4 个数据包和 QUIC 协议的 1 个数据包相比，连接创建上就会多耗时 300ms 以上。

3.3 向前纠错

丢包时，通过向前纠错来减少重试次数。缺点是会降低每个包最大的传入数据(因为要做冗余)。

QUIC 协议有一个非常独特的特性，称为向前纠错（Forward Error Correction），每个数据包除了它本身的内容之外，还包括了部分其他数据包的数据，因此少量的丢包可以通过其他包的冗余数据直接组装而无需重传。

这类似网络层的 RAID 5！

目前默认的冗余量是 10%，既每发送 10 个数据包，其冗余数据就可以重新构建一个丢失的数据包。

向前纠错牺牲了每个数据包可以发送数据的上限，但是减少了因为丢包导致的数据重传，因为数据重传将会消耗更多的时间（包括确认数据包丢失、请求重传、等待新数据包等步骤的时间消耗）。

3.4 会话重启和并行下载

TCP协议在网络状态发生改变时(如：Wifi->4G)要进行重连。而QUIC协议是根据UUID来实现连接的，当网络状态发生改变时，只要UUID未改变，就不需要重连。

底层协议切换到 UDP 协议之后的另一大好处是，连接不再依赖于来源 IP。

对于 TCP 协议来说，标识一个 TCP 连接需要 4 个参数，既来源 IP、来源端口、目的 IP 和目的端口。其中的任一参数改变，TCP 连接就需要重新创建。

这对于传统网络来说影响不大，因为来源和目的 IP 相对固定。但是在无线网络中，情况就大不相同了。设备在移动过程中，可能会因为网络切换（如从 WIFI 网络切换到 4G 网络环境），导致 TCP 连接需要重新创建。

QUIC 协议使用了 UDP 协议，不再需要这四元组参数。同时 QUIC 协议实现了自己的会话标记方式，称为连接 UUID。当设备网络环境切换时，连接 UUID 不会发生变化，因此无需重新进行握手。

该特性除了可以减少无谓的连接重连之外，还可以充分利用设备的不同网络接口，进行资源的并行下载。因为虽然这些网络接口有不同的 IP，但只要他们能够共享连接 UUID，就能够并行的从服务器下载数据。

四、总结

QUIC 协议使用了 UDP 协议作为底层传输协议，通过下面4种方式减少了网络延迟。

传输层： QUIC协议底层使用UDP，没有拥塞问题；而HTTP协议底层使用TCP，有拥塞问题。
建立连接： 建立连接时，QUIC协议发送的包少，而HTTP+TCP发送的包多。
向前纠错： 出现丢包问题时，QUIC协议通过包数据的冗余设计来避免包的重发；TCP协议会触发包的重发机制，时间开销更大。
会话重启： QUIC协议利用UUID来建立连接，当网络状态发生变化时，只要UUID不变，就不需要进行重连。而TCP协议是基于IP和端口号进行连接的，当有一个发生变化时，都需要进行重连。

五、参考

Next generation multiplexed transport over UDP (PDF)

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