32 未来之路：HTTP 3展望
在前面的两讲里，我们一起学习了HTTP/2，你也应该看到了HTTP/2做出的许多努力，比如头部压缩、二进制分帧、虚拟的“流”与多路复用，性能方面比HTTP/1有了很大的提升，“基本上”解决了“队头阻塞”这个“老大难”问题。
HTTP/2的“队头阻塞”
等等，你可能要发出疑问了：为什么说是“基本上”，而不是“完全”解决了呢？
这是因为HTTP/2虽然使用“帧”“流”“多路复用”，没有了“队头阻塞”，但这些手段都是在应用层里，而在下层，也就是TCP协议里，还是会发生“队头阻塞”。
这是怎么回事呢？
让我们从协议栈的角度来仔细看一下。在HTTP/2把多个“请求-响应”分解成流，交给TCP后，TCP会再拆成更小的包依次发送（其实在TCP里应该叫segment，也就是“段”）。
在网络良好的情况下，包可以很快送达目的地。但如果网络质量比较差，像手机上网的时候，就有可能会丢包。而TCP为了保证可靠传输，有个特别的“丢包重传”机制，丢失的包必须要等待重新传输确认，其他的包即使已经收到了，也只能放在缓冲区里，上层的应用拿不出来，只能“干着急”。
我举个简单的例子：
客户端用TCP发送了三个包，但服务器所在的操作系统只收到了后两个包，第一个包丢了。那么内核里的TCP协议栈就只能把已经收到的包暂存起来，“停下”等着客户端重传那个丢失的包，这样就又出现了“队头阻塞”。
由于这种“队头阻塞”是TCP协议固有的，所以HTTP/2即使设计出再多的“花样”也无法解决。
Google在推SPDY的时候就已经意识到了这个问题，于是就又发明了一个新的“QUIC”协议，让HTTP跑在QUIC上而不是TCP上。
而这个“HTTP over QUIC”就是HTTP协议的下一个大版本，HTTP/3。它在HTTP/2的基础上又实现了质的飞跃，真正“完美”地解决了“队头阻塞”问题。
不过HTTP/3目前还处于草案阶段，正式发布前可能会有变动，所以今天我尽量不谈那些不稳定的细节。
这里先贴一下HTTP/3的协议栈图，让你对它有个大概的了解。
QUIC协议
从这张图里，你可以看到HTTP/3有一个关键的改变，那就是它把下层的TCP“抽掉”了，换成了UDP。因为UDP是无序的，包之间没有依赖关系，所以就从根本上解决了“队头阻塞”。
你一定知道，UDP是一个简单、不可靠的传输协议，只是对IP协议的一层很薄的包装，和TCP相比，它实际应用的较少。
不过正是因为它简单，不需要建连和断连，通信成本低，也就非常灵活、高效，“可塑性”很强。
所以，QUIC就选定了UDP，在它之上把TCP的那一套连接管理、拥塞窗口、流量控制等“搬”了过来，“去其糟粕，取其精华”，打造出了一个全新的可靠传输协议，可以认为是“新时代的TCP”。
QUIC最早是由Google发明的，被称为gQUIC。而当前正在由IETF标准化的QUIC被称为iQUIC。两者的差异非常大，甚至比当年的SPDY与HTTP/2的差异还要大。
gQUIC混合了UDP、TLS、HTTP，是一个应用层的协议。而IETF则对gQUIC做了“清理”，把应用部分分离出来，形成了HTTP/3，原来的UDP部分“下放”到了传输层，所以iQUIC有时候也叫“QUIC-transport”。
接下来要说的QUIC都是指iQUIC，要记住，它与早期的gQUIC不同，是一个传输层的协议，和TCP是平级的。
QUIC的特点
QUIC基于UDP，而UDP是“无连接”的，根本就不需要“握手”和“挥手”，所以天生就要比TCP快。
就像TCP在IP的基础上实现了可靠传输一样，QUIC也基于UDP实现了可靠传输，保证数据一定能够抵达目的地。它还引入了类似HTTP/2的“流”和“多路复用”，单个“流”是有序的，可能会因为丢包而阻塞，但其他“流”不会受到影响。
为了防止网络上的中间设备（Middle Box）识别协议的细节，QUIC全面采用加密通信，可以很好地抵御窜改和“协议僵化”（ossification）。
而且，因为TLS1.3已经在去年（2018）正式发布，所以QUIC就直接应用了TLS1.3，顺便也就获得了0-RTT、1-RTT连接的好处。
但QUIC并不是建立在TLS之上，而是内部“包含”了TLS。它使用自己的帧“接管”了TLS里的“记录”，握手消息、警报消息都不使用TLS记录，直接封装成QUIC的帧发送，省掉了一次开销。
QUIC内部细节
由于QUIC在协议栈里比较偏底层，所以我只简略介绍两个内部的关键知识点。
QUIC的基本数据传输单位是包（packet）和帧（frame），一个包由多个帧组成，包面向的是“连接”，帧面向的是“流”。
QUIC使用不透明的“连接ID”来标记通信的两个端点，客户端和服务器可以自行选择一组ID来标记自己，这样就解除了TCP里连接对“IP地址+端口”（即常说的四元组）的强绑定，支持“连接迁移”（Connection Migration）。
比如你下班回家，手机会自动由4G切换到WiFi。这时IP地址会发生变化，TCP就必须重新建立连接。而QUIC连接里的两端连接ID不会变，所以连接在“逻辑上”没有中断，它就可以在新的IP地址上继续使用之前的连接，消除重连的成本，实现连接的无缝迁移。
QUIC的帧里有多种类型，PING、ACK等帧用于管理连接，而STREAM帧专门用来实现流。
QUIC里的流与HTTP/2的流非常相似，也是帧的序列，你可以对比着来理解。但HTTP/2里的流都是双向的，而QUIC则分为双向流和单向流。
QUIC帧普遍采用变长编码，最少只要1个字节，最多有8个字节。流ID的最大可用位数是62，数量上比HTTP/2的2^31大大增加。
流ID还保留了最低两位用作标志，第1位标记流的发起者，0表示客户端，1表示服务器；第2位标记流的方向，0表示双向流，1表示单向流。
所以QUIC流ID的奇偶性质和HTTP/2刚好相反，客户端的ID是偶数，从0开始计数。
HTTP/3协议
了解了QUIC之后，再来看HTTP/3就容易多了。
因为QUIC本身就已经支持了加密、流和多路复用，所以HTTP/3的工作减轻了很多，把流控制都交给QUIC去做。调用的不再是TLS的安全接口，也不是Socket API，而是专门的QUIC函数。不过这个“QUIC函数”还没有形成标准，必须要绑定到某一个具体的实现库。
HTTP/3里仍然使用流来发送“请求-响应”，但它自身不需要像HTTP/2那样再去定义流，而是直接使用QUIC的流，相当于做了一个“概念映射”。
HTTP/3里的“双向流”可以完全对应到HTTP/2的流，而“单向流”在HTTP/3里用来实现控制和推送，近似地对应HTTP/2的0号流。
由于流管理被“下放”到了QUIC，所以HTTP/3里帧的结构也变简单了。
帧头只有两个字段：类型和长度，而且同样都采用变长编码，最小只需要两个字节。
HTTP/3里的帧仍然分成数据帧和控制帧两类，HEADERS帧和DATA帧传输数据，但其他一些帧因为在下层的QUIC里有了替代，所以在HTTP/3里就都消失了，比如RST_STREAM、WINDOW_UPDATE、PING等。
头部压缩算法在HTTP/3里升级成了“QPACK”，使用方式上也做了改变。虽然也分成静态表和动态表，但在流上发送HEADERS帧时不能更新字段，只能引用，索引表的更新需要在专门的单向流上发送指令来管理，解决了HPACK的“队头阻塞”问题。
另外，QPACK的字典也做了优化，静态表由之前的61个增加到了98个，而且序号从0开始，也就是说“:authority”的编号是0。
HTTP/3服务发现
讲了这么多，不知道你注意到了没有：HTTP/3没有指定默认的端口号，也就是说不一定非要在UDP的80或者443上提供HTTP/3服务。
那么，该怎么“发现”HTTP/3呢？
这就要用到HTTP/2里的“扩展帧”了。浏览器需要先用HTTP/2协议连接服务器，然后服务器可以在启动HTTP/2连接后发送一个“Alt-Svc”帧，包含一个“h3=host:port”的字符串，告诉浏览器在另一个端点上提供等价的HTTP/3服务。
浏览器收到“Alt-Svc”帧，会使用QUIC异步连接指定的端口，如果连接成功，就会断开HTTP/2连接，改用新的HTTP/3收发数据。
小结
HTTP/3综合了我们之前讲的所有技术（HTTP/1、SSL/TLS、HTTP/2），包含知识点很多，比如队头阻塞、0-RTT握手、虚拟的“流”、多路复用，算得上是“集大成之作”，需要多下些功夫好好体会。
- HTTP/3基于QUIC协议，完全解决了“队头阻塞”问题，弱网环境下的表现会优于HTTP/2；
- QUIC是一个新的传输层协议，建立在UDP之上，实现了可靠传输；
- QUIC内含了TLS1.3，只能加密通信，支持0-RTT快速建连；
- QUIC的连接使用“不透明”的连接ID，不绑定在“IP地址+端口”上，支持“连接迁移”；
- QUIC的流与HTTP/2的流很相似，但分为双向流和单向流；
- HTTP/3没有指定默认端口号，需要用HTTP/2的扩展帧“Alt-Svc”来发现。
课下作业
- IP协议要比UDP协议省去8个字节的成本，也更通用，QUIC为什么不构建在IP协议之上呢？
- 说一说你理解的QUIC、HTTP/3的好处。
- 对比一下HTTP/3和HTTP/2各自的流、帧，有什么相同点和不同点。
欢迎你把自己的学习体会写在留言区，与我和其他同学一起讨论。如果你觉得有所收获，也欢迎把文章分享给你的朋友。
- 许童童 👍（27） 💬（3）
IP 协议要比 UDP 协议省去 8 个字节的成本，也更通用，QUIC 为什么不构建在 IP 协议之上呢？ 直接利用UDP，兼容性好。 说一说你理解的 QUIC、HTTP/3 的好处。 彻底解决队头阻塞，用户态定义流量控制、拥塞避免等算法，优化慢启动、弱网、重建连接等问题。 对比一下 HTTP/3 和 HTTP/2 各自的流、帧，有什么相同点和不同点。 HTTP/3在QUIC层定义流、帧，真正解决队头阻塞，HTTP/2流、帧是在TCP层上抽象出的逻辑概念。 相同点是在逻辑理解上是基本一致的，流由帧组成，多个流可以并发传输互不影响。
2019-08-09 - lesserror 👍（12） 💬（1）
老师，以下问题，麻烦回答一下，谢谢： 1.它使用自己的帧“接管”了 TLS 里的“记录”，握手消息、警报消息都不使用 TLS 记录，直接封装成 QUIC 的帧发送，省掉了一次开销。省掉的一次开销是什么？ 2.解决了 HPACK 的“队头阻塞”问题。 没明白这句话。
2019-12-25 - 阿锋 👍（7） 💬（1）
（1）http的队头阻塞，和tcp的队头阻塞，怎么理解 ？是由于tcp队头阻塞导致http对头阻塞，还是http本身的实现就会造成队头阻塞，还是都有。感觉有点模糊？ （2）看完了QUIC，其流内部还是会产生队头阻塞，感觉没啥区别，QUIC内部还不是要实现tcp的重传那一套东西。QUIC没看出来比tcp好在哪里。 （3）队头阻塞在http，tcp，流等这几个概念中是怎么理解和区分的，很迷惑。
2019-08-09 - -W.LI- 👍（6） 💬（1）
1.传输层TCP和UDP就够了，在多加会提高复杂度，基于UDP向前兼容会好一些。 2.在传输层解决了队首阻塞，基于UDP协议，在网络拥堵的情况下，提高传输效率 3.http3在传输层基于UDP真正解决了队头阻塞。http2只是部分解决。
2019-08-09 - moooofly 👍（3） 💬（3）
我是不是可以这样理解，QUIC 之所以解决了队头阻塞，是基于UDP的乱序，无连接，以包为单位进行传出的特性，即当发生丢包时，当前流中对应的请求或应答就彻底“丢失”了，之后只需要通过在UDP基础实现的“可靠传输”功能，重传就好了，这样就避免了接收端死等尚未接收到的数据的“干着急”状态；
2019-08-31 - 功夫熊猫 👍（2） 💬（1）
udp虽然可以节省时间和速度比tcp快，但是如果传输的是那种很机密的东西的时候，但是如何保证udp传输的数据是没有丢失的，（所以udp一般是传输视频，图片之类的东西吧）是换tcp还是对udp进行改装，还是http/3有什么特殊的方法
2021-10-31 - Rick 👍（2） 💬（1）
请问连接迁移是如何做到的?毕竟它依赖于udp，而udp使用了ip/port。当一个连接的一端从一个ip/port转移到另外一个ip/port上的时候，怎么通知对端呢？需要使用QUIC的控制帧来完成吗？
2021-03-20 - cake 👍（1） 💬（1）
老师 请问下这句话怎么理解呢 HTTP/2 那样再去定义流
2021-10-05 - Unknown element 👍（1） 💬（1）
gQUIC 混合了 UDP、TLS、HTTP，是一个应用层的协议。而 IETF 则对 gQUIC 做了“清理”，把应用部分分离出来，形成了 HTTP/3，原来的 UDP 部分“下放”到了传输层，所以 iQUIC 有时候也叫“QUIC-transport”。接下来要说的 QUIC 都是指 iQUIC，要记住，它与早期的 gQUIC 不同，是一个传输层的协议，和 TCP 是平级的 老师问下这一段最后为什么说iQUIC是传输层协议？本来gQUIC是应用层协议，去掉传输层部分后反而变成了传输层协议吗？
2021-06-12 - 小童 👍（1） 💬（1）
老师这个QUIC 是如何保证UDP的 可靠传输？还是没看明白。
2021-04-28 - 纳兰容若 👍（1） 💬（1）
老师您好，想向老师请教一下学习方法的问题 学习HTTP协议一直学习到这里，发现老师学识太渊博了，这得需要好多年的积累吧 像我这样初学网络、HTTP协议的，老师有什么好的建议么 感谢老师的回复
2020-11-16 - 钱 👍（1） 💬（1）
浏览器需要先用 HTTP/2 协议连接服务器，然后服务器可以在启动 HTTP/2 连接后发送一个“Alt-Svc”帧，包含一个“h3=host:port”的字符串，告诉浏览器在另一个端点上提供等价的 HTTP/3 服务。 老师，这里的意思是指HTTP/3包含了HTTP/2的这部分功能，还是HTTP/3的使用必须依赖HTTP/2？ 另外，QUIC中的包是一个完整的请求或响应报文？否则多个包的内容才能组成一个完整的请求或响应报文，必然也需要等待所有包都到齐了，组装一下吧？假如你一个包，这个包得多大？
2020-04-04 - Hills录 👍（1） 💬（1）
课后1：QUIC 不基于 IP 协议，是因为没有设备认识它 课后2：HTTP/3 端口不固定、内容天然加密、连接迁移等特性，让互联网回归自由
2020-02-27 - chao 👍（1） 💬（1）
老师，文中有一张包的结构图，Quic Package Payload 里面说『实际传输的数据是多个帧构成的流』，这里怎么理解呢？ 是这样吗，Quic里面有帧、流、包的概念，流上传输的是帧，Quic是把多个流结合为包然后传递给UDP吗，因为每个流是一个消息，丢包的时候会一次丢多个消息吗
2019-10-22 - moooofly 👍（1） 💬（1）
“下班回家，手机会自动由 4G 切换到 WiFi。这时 IP 地址会发生变化，TCP 就必须重新建立连接。而 QUIC 连接里的两端连接 ID 不会变，所以连接在“逻辑上”没有中断，它就可以在新的 IP 地址上继续使用之前的连接，消除重连的成本，实现连接的无缝迁移”，我觉得这里是不是应该强调一下，QUIC 是基于无连接概念的 UDP 协议，因此也就没有所谓的“中断”和“重连”概念，进而才能实现在新的 ip 地址上的无缝迁移；
2019-08-31