QUIC报文格式详解

QUIC的packet分为Special Packets和Regular Packets两种，其中各自又有两种不同的packet

特殊报文：
版本协商报文（Version Negotiation Packets）
公共重置报文（Public Reset Packets）

普通报文：
常规报文(Regular Packets)
FEC（Forward Error Correction）报文

QUIC报文的大小需要满足路径MTU (最大传输单元Maximum Transmission Unit) 的大小以避免被分片。当前QUIC在IPV6下的最大报文长度为1350，IPV4下的最大报文长度为1370.

所有的Quic包都是以一个1~51字节的公共头开始的。其格式如下

红色部分是认证的报文头部，绿色部分是加密的报文内容

QUIC Public Packet Header

其中最重要的就是Public Flags,占一个字节,8个bit

0x01: 如果Bit0位被置为1, 0x01 = PUBLIC_FLAG_VERSION) ，该字段的含义取决于报文是客户端发送的还是服务端发送的。如果是客户端发送，这一位被置上表示QUIC Version字段不为空，且QUIC Version字段被填充为客户端的QUIC版本。在客户端收到服务端同意建立该版本的连接报文之前，客户端发送的所有报文的这一位都必须被设置。如果服务端同意建立该版本的连接，那么之后这一位就不用设置了。
如果这一位是被服务端发送的报文设置的，那么就表示该报文是版本协商报文（Version Negotiation Packet）

0x02: 如果Bit1被置上 (0x02 = PUBLIC_FLAG_RESET)，表明该报文是公共重置报文（Public Reset packet）

0x04: Bit2被置上就表示包头包含了32字节的 Diversification Nonce

0x08: Bit3被置上就表示header中包含8字节的connection id 这个标志位在所有的包中都应该被设置

在0x30上的两位（Bit4,Bit5）表示packet number 的长度，只有在含有Frame Packets的时候这两位才会使用到，也就是说Reset 包和版本协商包都是不需要packet number的 (因为packet number是为了解决TCP重传歧义性的问题)

0x30（Bit5及Bit4均为1）表示：packet number是6个字节
0x20（Bit5为1，Bit4为0）表示：packet number是4个字节
0x10（Bit5为0，Bit4为1）表示：packet numbe是2个字节
0x00（Bit5及Bit4均为0）表示：packet numbe是1个字节

0x40: Bit6 是预留给多路径使用的

0x80: Bit7未使用，必须置为0

connection ID: 64位无符号整型，由client随机产生,用来标识一个连接, 之所以使用Connection ID而不使用四元组标识（源 IP，源端口，目的 IP，目的端口），是为了就算 IP 或者端口发生变化时，只要 ID 不变，这条连接依旧可以维持，上层业务逻辑感知不到变化，不会中断，也就不需要重连。

Quic Version : 32位,用来表示Quic 协议版本.只有当PUBLIC_FLAG_VERSION 被设置才会存在这个字段。server 只有在不支持客户端携带的版本时，才会设置PUBLIC_FLAG_VERSION并且其后不会再附带其他信息(也就是版本协商包)。

Packet Number : 可能为8,16,32,48位的packet number,具体的长度由public flags决定。每个常规包(Regular Packet)都会被分配一个packet number, 各端发送的第一个包的packet number是1，之后的数据包中的packet number都会大于前一个包的packet number(单调递增)

Public Flags的解析流程如下:

版本协商包报文

版本协商报文只能由服务端发送。版本协议报文以1字节的Public Flag及8字节的Connection ID开始。且public flag 必须置为PUBLIC_FLAG_VERSION,并标识Connection ID长度为8字节，剩下的部分，每4个字节表示server端所支持的Quic版本信息

公共重置包 (Public Reset Packet)

Reset packets are sent by a server that does not have state for the connection, which may happen due to a routing change or due to a server restart.

Public Reset Packet的public flags必须设置PUBLIC_FLAG_RESET且标识Connection ID长度为8字节，剩余的部分是QUIC Tag。

Tag value map包含如下的tag-values：
RNON (public reset nonce proof)：64位的无符号整数，必填
RSEQ (rejected packet number) ：64位，必填
CADR (client address)：客户端的IP地址及端口。当前用于调试用途，可选

Regular Packet

常规包是经过认证和加密的，公共头(Public Header)只经过认证，并没有加密，包的剩余部分都是经过加密的。一个常规包会包含一系列的Frames

帧包有一系列不同的类型, 一般帧包的格式如下:

也分为普通帧包和特殊帧包

Stream Frame

STREAM Frame既用于隐式创建一条流，也用于发送数据，格式如下

Stream Frame的type是1fdooossB,这是一个8bit的值，包含各种flags
最左边的bit 必须设置为1，表示这是一个STREAM frame, ‘f’ bit位表示 Fin 位，当该位被设置为1时,表示发送方已经发完了，连接将处于半关闭状态。‘d’ bit表示在STREAM header中是否包含有数据长度，
当被设置为0时，表示直到包尾都是STREAM Frame，后续的三个’ooo’bit表示Offset 长度，分别为 0,16,24,32,40,48,58,64位，再接下来的两个’ss’表示stream id的长度，取值为8,16,24,32

Stream ID: 可变的无符号整型，唯一区分这条流
Offset: 可变长度，表示这块数据在整个stream 中的偏移。
Data Length: 可选的16位无符号整型，表示在这个stream frame中数据的长度。

WINDOW_UPDATE Frame

用于告知对端接收窗口增加了，如果Stream ID 等于0，表示这是Connection的流量控制，否则就是Stream级别的流量控制，表示在指定的流上应该增加其流量控制窗口

Frame Type：8bit,必须设置成0x04 ,表示是WINDOW_UPDATE Frame
Stream ID: 0表示是Connection级别的流量控制，非0则表示对应Stream ID的流级别的流量控制
Byte offset: 64位，表示指定流上数据的绝对偏移量。

FEC（Forward Error Correction） packet

QUIC为了减少数据包丢失时的重传,传递数据包时还会带上其他数据包的校验信息，即将N个包的校验和（异或）建立一个单独的数据包发送
P=D1 xor D2 xor D3 … xor Dn （D1,D2,D3 … Dn为数据块，P为校验，xor为异或运算）

假如D3 数据包丢失，可以通过p和其他参数异或恢复出来。并且还可以用来校验记录的数据包的有效性。

其他版本的报文格式

上述的报文格式都基于version 43及以下的版本，后面的版本在报文格式方面有一些改动

Version 44- 48:
为了推进Google QUIC的IETF标准化，在version46之后发生了如下改动
将Header分成两种不同的类型，在1RTT连接建立和版本协商成功之前的packets 使用Long Header,其余的时候Short-Header

主要是在Long Header中增加了一个Source Connection ID并对格式进行了一些调整
DCIL:Destination Connection ID Length
SCIL:Source Connection ID Length

参考资料;
version 43:
QUIC Wire Layout Specification
version 46:
Use IETF Packet Header Wire Format in Google QUIC
version 49:
https://tools.ietf.org/html/draft-ietf-quic-invariants-07