4.12--计算机网络之TCP篇之TCP 协议的缺陷＋如何基于 UDP 协议实现可靠传输？--（复习＋大总结）---沉下心来（加油呀）

TCP 协议四个方面的缺陷：

1.升级 TCP 的工作很困难；

TCP 协议是在内核中实现的，应用程序只能使用不能修改，如果要想升级 TCP 协议，那么只能升级内核。
而升级内核这个工作是很麻烦的事情

2.TCP 建立连接的延迟；

大多数网站都是使用 HTTPS 的，这说明在 TCP 三次握手之后，还需要经过 TLS 四次握手后，才能进行 HTTP 数据的传输，这在一定程序上增加了数据传输的延迟。

3.TCP 存在队头阻塞问题；

TCP 是字节流协议，TCP 层必须保证收到的字节数据是完整且有序的，如果序列号较低的 TCP 段在网络传输中丢失了，即使序列号较高的TCP 段已经被接收了，应用层也无法从内核中读取到这部分数据

4.网络迁移需要重新建立 TCP 连接；

当移动设备的网络从 4G 切换到 WIFI 时，意味着 IP 地址变化了，那么就必须要断开连接，然后重新建立 TCP 连接。

而建立连接的过程包含 TCP 三次握手和 TLS 四次握手的时延，以及 TCP
慢启动的减速过程，给用户的感觉就是网络突然卡顿了一下，因此连接的迁移成本是很高的

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QUIC 协议：

基于 UDP 协议实现的可靠传输协议的成熟方案，已经应用在了 HTTP/3。

1.QUIC 是如何实现可靠传输的？

设计好协议的头部字段。

拿 HTTP/3 举例子，在 UDP 报文头部与 HTTP 消息之间，共有 3 层头部：

1.Packet Header

Packet Header 细分这两种：

1.Long Packet Header 用于首次建立连接。
2.Short Packet Header 用于日常传输数据。

QUIC 也是需要三次握手来建立连接的，主要目的是为了协商连接 ID。
协商出连接 ID 后，后续传输时，双方只需要固定住连接 ID，从而实现连接迁移功能

Packet Number 单调递增的两个好处：

1.可以更加精确计算 RTT，没有 TCP 重传的歧义性问题；
2.可以支持乱序确认，因为丢包重传将当前窗口阻塞在原地，而 TCP 必须是顺序确认的，丢包时会导致窗口不滑动

2.QUIC Frame Header

每一个 Frame 都有明确的类型，针对类型的不同，功能也不同，自然格式也不同。
以下为 Stream 类型的 Frame 格式，Stream 可以认为就是一条 HTTP 请求：

1.Stream ID 作用：多个并发传输的 HTTP 消息，通过不同的 Stream ID 加以区别，类似于 HTTP2 的 Stream ID；
2.Offset 作用：类似于 TCP 协议中的 Seq 序号，保证数据的顺序性和可靠性；
3.Length 作用：指明了 Frame 数据的长度

通过 Stream ID + Offset 字段信息实现数据的有序性，通过比较两个数据包的 Stream ID 与 Stream Offset ，如果都是一致，就说明这两个数据包的内容一致。

总结：
QUIC 通过单向递增的 Packet Number，配合 Stream ID 与 Offset 字段信息，可以支持乱序确认而不影响数据包的正确组装，摆脱了TCP 必须按顺序确认应答 ACK 的限制，解决了 TCP 因某个数据包重传而阻塞后续所有待发送数据包的问题

2.QUIC 是如何解决 TCP 队头阻塞问题的？

QUIC 也借鉴 HTTP/2 里的 Stream 的概念，在一条 QUIC 连接上可以并发发送多个 HTTP 请求 (Stream)。

但是 QUIC 给每一个 Stream 都分配了一个独立的滑动窗口，这样使得一个连接上的多个 Stream 之间没有依赖关系，都是相互独立的，各自控制的滑动窗口。

假如 Stream2 丢了一个 UDP 包，也只会影响 Stream2 的处理，不会影响其他 Stream，与 HTTP/2 不同，HTTP/2 只要某个流中的数据包丢失了，其他流也会因此受影响。

3.QUIC 是如何做流量控制的？

QUIC 实现流量控制的方式：

1.通过 window_update 帧告诉对端自己可以接收的字节数，这样发送方就不会发送超过这个数量的数据。
2.通过 BlockFrame 告诉对端由于流量控制被阻塞了，无法发送数据

QUIC 实现了两种级别的流量控制，分别为 Stream 和 Connection 两种级别：

1.Stream 级别的流量控制：Stream 可以认为就是一条 HTTP 请求，每个 Stream 都有独立的滑动窗口，所以每个 Stream 都可以做流量控制，防止单个 Stream 消耗连接（Connection）的全部接收缓冲。
2.Connection 流量控制：限制连接中所有 Stream 相加起来的总字节数，防止发送方超过连接的缓冲容量。
Connection 级别的流量窗口，其接收窗口大小就是各个 Stream 接收窗口大小之和。

4.QUIC 是如何迁移连接的？
QUIC 协议没有用四元组的方式来“绑定”连接，而是通过连接 ID来标记通信的两个端点，客户端和服务器可以各自选择一组 ID 来标记自己，因此即使移动设备的网络变化后，导致 IP 地址变化了，只要仍保有上下文信息（比如连接 ID、TLS 密钥等），就可以“无缝”地复用原连接，消除重连的成本，没有丝毫卡顿感，达到了连接迁移的功能。

5.QUIC 对拥塞控制改进

QUIC 是处于应用层的，应用程序层面就能实现不同的拥塞控制算法，不需要操作系统，不需要内核支持

QUIC 可以随浏览器更新，QUIC 的拥塞控制算法就可以有较快的迭代速度。

QUIC 处于应用层，所以就可以针对不同的应用设置不同的拥塞控制算法，这样灵活性就很高了

6.QUIC 更快的连接建立

HTTP/3 在传输数据前虽然需要 QUIC 协议握手，这个握手过程只需要 1 RTT，握手的目的是为确认双方的「连接 ID」，连接迁移就是基于连接 ID 实现的。

但是 HTTP/3 的 QUIC 协议并不是与 TLS 分层，而是QUIC 内部包含了 TLS，它在自己的帧会携带 TLS 里的“记录”，再加上 QUIC 使用的是 TLS1.3，因此仅需 1 个 RTT 就可以「同时」完成建立连接与密钥协商，甚至在第二次连接的时候，应用数据包可以和 QUIC 握手信息（连接信息 + TLS 信息）一起发送，达到 0-RTT 的效果。

如下图右边部分，HTTP/3 当会话恢复时，有效负载数据与第一个数据包一起发送，可以做到 0-RTT（下图的右下角）：