QUIC 是如何解決TCP 性能瓶頸的？

文章目錄

一、QUIC 如何解決TCP的隊(duì)頭阻塞問(wèn)題？

• 1.1 TCP 為何會(huì)有隊(duì)頭阻塞問(wèn)題

  
  

• 1.2 QUIC 如何解決隊(duì)頭阻塞問(wèn)題

  
  

• 1.3 QUIC 沒(méi)有隊(duì)頭阻塞的多路復(fù)用

  
  

二、QUIC 如何優(yōu)化TCP 的連接管理機(jī)制？

• 2.1 TCP連接的本質(zhì)是什么

  
  

• 2.2 QUIC 如何減少TCP 建立連接的開(kāi)銷

  
  

• 2.3 QUIC 如何實(shí)現(xiàn)連接的無(wú)感遷移

  
  

三、QUIC 如何改進(jìn)TCP 的擁塞控制機(jī)制？

• 3.1 TCP 擁塞控制機(jī)制的瓶頸在哪？

  
  

• 3.2 QUIC 如何降低重傳概率

  
  

• 3.3 QUIC 如何改進(jìn)擁塞控制機(jī)制

  
  

1.1 TCP 為何會(huì)有隊(duì)頭阻塞問(wèn)題

HTTP/2 相比HTTP/1.1 設(shè)計(jì)出的一些優(yōu)秀的改進(jìn)方案，大幅提高了HTTP 的網(wǎng)絡(luò)利用效率。HTTP/2 在應(yīng)用協(xié)議層通過(guò)多路復(fù)用同一個(gè)TCP連接解決了隊(duì)頭阻塞問(wèn)題，但這是以下層協(xié)議比如TCP 協(xié)議不出現(xiàn)任何數(shù)據(jù)包阻塞為前提的。TCP 在實(shí)際運(yùn)行中，特別是遇到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不好時(shí)，數(shù)據(jù)包超時(shí)確認(rèn)或丟失是常有的事，假如某個(gè)數(shù)據(jù)包丟失需要重傳時(shí)會(huì)發(fā)生什么呢？

TCP 采用正面確認(rèn)和超時(shí)重傳機(jī)制來(lái)保證數(shù)據(jù)包的可靠交付。比如主機(jī)A 向 主機(jī)B 發(fā)送數(shù)據(jù)包，主機(jī)B 收到該數(shù)據(jù)包后會(huì)向主機(jī)A 返回確認(rèn)應(yīng)答報(bào)文，表示自己確實(shí)收到了該數(shù)據(jù)包，主機(jī)A 收到確認(rèn)應(yīng)答報(bào)文后才確定上一個(gè)數(shù)據(jù)包已經(jīng)發(fā)送成功，開(kāi)始發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)包。

如果超過(guò)一定時(shí)間（根據(jù)每次測(cè)量的往返時(shí)間RTT估算出的動(dòng)態(tài)閾值）未收到確認(rèn)應(yīng)答，則主機(jī)A 判斷上一個(gè)數(shù)據(jù)包丟失了，重新發(fā)送上一個(gè)數(shù)據(jù)包，這就相當(dāng)于阻塞了下一個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送。

逐個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)包，等待確認(rèn)應(yīng)答到來(lái)后再發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)包，效率太低了，TCP 采用滑動(dòng)窗口機(jī)制來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸效率。窗口大小就是指無(wú)需等待確認(rèn)應(yīng)答而可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)的最大值，這個(gè)機(jī)制實(shí)現(xiàn)了使用大量的緩沖區(qū)，通過(guò)對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)包同時(shí)進(jìn)行確認(rèn)應(yīng)答的功能。

當(dāng)可發(fā)送數(shù)據(jù)的窗口消耗殆盡時(shí)，就需要等待收到連續(xù)的確認(rèn)應(yīng)答后，當(dāng)前窗口才會(huì)向前滑動(dòng)，為發(fā)送下一批數(shù)據(jù)包騰出窗口。假設(shè)某個(gè)數(shù)據(jù)包超時(shí)未收到確認(rèn)應(yīng)答，當(dāng)前窗口就會(huì)阻塞在原地，重新發(fā)送該數(shù)據(jù)包，在收到該重發(fā)數(shù)據(jù)包的確認(rèn)應(yīng)答前，就不會(huì)有新增的可發(fā)送數(shù)據(jù)包了。也就是說(shuō)，因?yàn)槟硞€(gè)數(shù)據(jù)包丟失，當(dāng)前窗口阻塞在原地，同樣阻塞了后續(xù)所有數(shù)據(jù)包的發(fā)送。

TCP 因?yàn)槌瑫r(shí)確認(rèn)或丟包引起的滑動(dòng)窗口阻塞問(wèn)題，是不是有點(diǎn)像HTTP/1.1 管道化機(jī)制中出現(xiàn)的隊(duì)頭阻塞問(wèn)題？HTTP/2 在應(yīng)用協(xié)議層通過(guò)多路復(fù)用解決了隊(duì)頭阻塞問(wèn)題，但TCP 在傳輸層依然存在隊(duì)頭阻塞問(wèn)題，這是TCP 協(xié)議的一個(gè)主要性能瓶頸。該怎么解決TCP 的隊(duì)頭阻塞問(wèn)題呢？

1.2 QUIC 如何解決隊(duì)頭阻塞問(wèn)題？

TCP 隊(duì)頭阻塞的主要原因是數(shù)據(jù)包超時(shí)確認(rèn)或丟失阻塞了當(dāng)前窗口向右滑動(dòng)，我們最容易想到的解決隊(duì)頭阻塞的方案是不讓超時(shí)確認(rèn)或丟失的數(shù)據(jù)包將當(dāng)前窗口阻塞在原地。QUIC (Quick UDP Internet Connections)也正是采用上述方案來(lái)解決TCP 隊(duì)頭阻塞問(wèn)題的。

TCP 為了保證可靠性，使用了基于字節(jié)序號(hào)的 Sequence Number 及 Ack 來(lái)確認(rèn)消息的有序到達(dá)。QUIC 同樣是一個(gè)可靠的協(xié)議，它使用 Packet Number 代替了 TCP 的 Sequence Number，并且每個(gè) Packet Number 都嚴(yán)格遞增，也就是說(shuō)就算 Packet N 丟失了，重傳的 Packet N 的 Packet Number 已經(jīng)不是 N，而是一個(gè)比 N 大的值，比如Packet N M。

QUIC 使用的Packet Number 單調(diào)遞增的設(shè)計(jì)，可以讓數(shù)據(jù)包不再像TCP 那樣必須有序確認(rèn)，QUIC 支持亂序確認(rèn)，當(dāng)數(shù)據(jù)包Packet N 丟失后，只要有新的已接收數(shù)據(jù)包確認(rèn)，當(dāng)前窗口就會(huì)繼續(xù)向右滑動(dòng)。
待發(fā)送端獲知數(shù)據(jù)包Packet N 丟失后，會(huì)將需要重傳的數(shù)據(jù)包放到待發(fā)送隊(duì)列，重新編號(hào)比如數(shù)據(jù)包Packet N M 后重新發(fā)送給接收端，對(duì)重傳數(shù)據(jù)包的處理跟發(fā)送新的數(shù)據(jù)包類似，這樣就不會(huì)因?yàn)閬G包重傳將當(dāng)前窗口阻塞在原地，從而解決了隊(duì)頭阻塞問(wèn)題。那么，既然重傳數(shù)據(jù)包的Packet N M 與丟失數(shù)據(jù)包的Packet N 編號(hào)并不一致，我們?cè)趺创_定這兩個(gè)數(shù)據(jù)包的內(nèi)容一樣呢？
還記得前篇博文：HTTP/2 是如何解決HTTP/1.1 性能瓶頸的？使用Stream ID 來(lái)標(biāo)識(shí)當(dāng)前數(shù)據(jù)流屬于哪個(gè)資源請(qǐng)求，這同時(shí)也是數(shù)據(jù)包多路復(fù)用傳輸?shù)浇邮斩撕竽苷＝M裝的依據(jù)。重傳的數(shù)據(jù)包Packet N M 和丟失的數(shù)據(jù)包Packet N 單靠Stream ID 的比對(duì)一致仍然不能判斷兩個(gè)數(shù)據(jù)包內(nèi)容一致，還需要再新增一個(gè)字段Stream Offset，標(biāo)識(shí)當(dāng)前數(shù)據(jù)包在當(dāng)前Stream ID 中的字節(jié)偏移量。

有了Stream Offset 字段信息，屬于同一個(gè)Stream ID 的數(shù)據(jù)包也可以亂序傳輸了（HTTP/2 中僅靠Stream ID 標(biāo)識(shí)，要求同屬于一個(gè)Stream ID 的數(shù)據(jù)幀必須有序傳輸），通過(guò)兩個(gè)數(shù)據(jù)包的Stream ID 與 Stream Offset 都一致，就說(shuō)明這兩個(gè)數(shù)據(jù)包的內(nèi)容一致。

上圖中數(shù)據(jù)包Packet N 丟失了，后面重傳該數(shù)據(jù)包的編號(hào)為Packet N 2，丟失的數(shù)據(jù)包和重傳的數(shù)據(jù)包Stream ID 與 Offset 都一致，說(shuō)明這兩個(gè)數(shù)據(jù)包的內(nèi)容一致。這些數(shù)據(jù)包傳輸?shù)浇邮斩撕?，接收端能根?jù)Stream ID 與 Offset 字段信息正確組裝成完整的資源。

QUIC 通過(guò)單向遞增的Packet Number，配合Stream ID 與 Offset 字段信息，可以支持非連續(xù)確認(rèn)應(yīng)答Ack而不影響數(shù)據(jù)包的正確組裝，擺脫了TCP 必須按順序確認(rèn)應(yīng)答Ack 的限制（也即不能出現(xiàn)非連續(xù)的空位），解決了TCP 因某個(gè)數(shù)據(jù)包重傳而阻塞后續(xù)所有待發(fā)送數(shù)據(jù)包的問(wèn)題（也即隊(duì)頭阻塞問(wèn)題）。

QUIC 可以支持非連續(xù)的數(shù)據(jù)包確認(rèn)應(yīng)答Ack，自然也就要求每個(gè)數(shù)據(jù)包的確認(rèn)應(yīng)答Ack 都能返回給發(fā)送端（TCP 中間丟失幾個(gè)Ack 對(duì)數(shù)據(jù)包的確認(rèn)應(yīng)答影響不大），發(fā)送端收到該數(shù)據(jù)包的確認(rèn)應(yīng)答后才會(huì)釋放該數(shù)據(jù)包所占用的緩存資源，已發(fā)送但未收到確認(rèn)應(yīng)答的數(shù)據(jù)包會(huì)保存在緩存鏈表中等待可能的重傳。

QUIC 對(duì)確認(rèn)應(yīng)答Ack 丟失的容忍度比較低，自然對(duì)Ack 的傳輸能力進(jìn)行了增強(qiáng)，Quic Ack Frame 可以同時(shí)提供 256 個(gè) Ack Block，在丟包率比較高的網(wǎng)絡(luò)下，更多的 Ack Block 可以提高Ack 送達(dá)的成功率，減少重傳量。

1.3 QUIC 沒(méi)有隊(duì)頭阻塞的多路復(fù)用

QUIC 解決了TCP 的隊(duì)頭阻塞問(wèn)題，同時(shí)繼承了HTTP/2 的多路復(fù)用優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)镾tream Offset 字段的引入，QUIC 中同一Stream ID 的數(shù)據(jù)幀也支持亂序傳輸，不再像HTTP/2 要求的同一Stream ID 的數(shù)據(jù)幀必須有序傳輸那么嚴(yán)格。

從上面QUIC 的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)中可以看出，同一個(gè)Connection ID 可以同時(shí)傳輸多個(gè)Stream ID，由于QUIC 支持非連續(xù)的Packet Number 確認(rèn)，某個(gè)Packet N 超時(shí)確認(rèn)或丟失，不會(huì)影響其它未包含在該數(shù)據(jù)包中的Stream Frame 的正常傳輸。

同一個(gè)Packet Number 可承載多個(gè)Stream Frame，若該數(shù)據(jù)包丟失，則其承載的Stream Frame 都需要重新傳輸。因?yàn)橥籗tream ID 的數(shù)據(jù)幀亂序傳輸后也能正確組裝，這些需要重傳的Stream Frame 并不會(huì)影響其它待發(fā)送Stream Frame 的正常傳輸。

值得一提的是，TLS 協(xié)議加解密前需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性校驗(yàn)，HTTP/2 中如果TCP 出現(xiàn)丟包，TLS 也會(huì)因接收到的數(shù)據(jù)不完整而無(wú)法對(duì)其進(jìn)行處理，也即HTTP/2 中的TLS 協(xié)議層也存在隊(duì)頭阻塞問(wèn)題，該問(wèn)題如何解決呢？既然TLS 協(xié)議是因?yàn)榻邮諗?shù)據(jù)不完整引起的阻塞，我們只需要讓TLS 加密認(rèn)證過(guò)程基于一個(gè)獨(dú)立的Packet，不對(duì)多個(gè)Packet 同時(shí)進(jìn)行加密認(rèn)證，就能解決TLS 協(xié)議層出現(xiàn)的隊(duì)頭阻塞問(wèn)題，某一個(gè)Packet 丟失只會(huì)影響封裝該P(yáng)acket 的Record，不會(huì)讓其它Record 陷入阻塞等待的情況。

2.1 TCP連接的本質(zhì)是什么？

你可能熟悉TCP 建立連接的三次握手和四次揮手過(guò)程，但你知道TCP 建立的連接本質(zhì)上是什么嗎？這里的連接跟我們熟悉的物理介質(zhì)連接（比如電路連接）不同，主要是用來(lái)說(shuō)明如何在物理介質(zhì)上傳輸數(shù)據(jù)的。

為了更直觀了解網(wǎng)絡(luò)連接概念，我們拿面向連接的TCP 與無(wú)連接的UDP 做對(duì)比，網(wǎng)絡(luò)傳輸層的兩個(gè)主流協(xié)議，他們的主要區(qū)別是什么呢？UDP 每個(gè)分組的處理都獨(dú)立于所有其他分組，TCP 每個(gè)分組的傳輸都有確認(rèn)應(yīng)答過(guò)程和可能的丟包重傳過(guò)程，需要為每個(gè)分組數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)信息記錄和管理（比如未發(fā)送、已發(fā)送、未確認(rèn)、已確認(rèn)等狀態(tài)）。

TCP 建立連接的三次握手過(guò)程都做了哪些工作呢？首先確認(rèn)雙方是否能正常收發(fā)數(shù)據(jù)，通信雙方交換待發(fā)送數(shù)據(jù)的初始序列編號(hào)并作為有序確認(rèn)應(yīng)答的基點(diǎn)，通信雙方根據(jù)預(yù)設(shè)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖完成各自的狀態(tài)遷移過(guò)程，通信雙方為分組數(shù)據(jù)的可靠傳輸和狀態(tài)信息的記錄管理分配控制塊緩存資源等。下面給出TCP 連接建立、數(shù)據(jù)傳輸、連接釋放三個(gè)階段的報(bào)文交互過(guò)程和狀態(tài)遷移圖示（詳見(jiàn)博文：TCP協(xié)議與Transmission Control Protocol）：

從上圖可以看出，TCP 連接主要是雙方記錄并同步維護(hù)的狀態(tài)組成的。一般來(lái)說(shuō)，建立連接是為了維護(hù)前后分組數(shù)據(jù)的承繼關(guān)系，維護(hù)前后承繼關(guān)系最常用的方法就是對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)記錄和管理。

TCP 的狀態(tài)管理可以分為連接狀態(tài)管理和分組數(shù)據(jù)狀態(tài)管理兩種，連接狀態(tài)管理用于雙方同步數(shù)據(jù)發(fā)送與接收狀態(tài)，分組數(shù)據(jù)狀態(tài)管理用于保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。涉及到狀態(tài)管理一般都有狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，TCP 連接管理的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖上面已經(jīng)給出了，HTTP/2 的Stream 實(shí)際上也記錄并維護(hù)了每個(gè)Stream Frame 的狀態(tài)信息，Stream 的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如下：

2.2 QUIC 如何減少TCP 建立連接的開(kāi)銷？

TCP 建立連接需要三次握手過(guò)程，第三次握手報(bào)文發(fā)出后不需要等待應(yīng)答回復(fù)就可以發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文了，所以TCP 建立連接的開(kāi)銷為 1-RTT。既然TCP 連接主要是由雙方記錄并同步維護(hù)的狀態(tài)組成的，我們能否借鑒TLS 快速恢復(fù)簡(jiǎn)短握手相比完整握手的優(yōu)化方案呢？

TLS 簡(jiǎn)短握手過(guò)程是將之前完整握手過(guò)程協(xié)商的信息記錄下來(lái)，以Session Ticket 的形式傳輸給客戶端，如果想恢復(fù)之前的會(huì)話連接，可以將Session Ticket 發(fā)送給服務(wù)器，就能通過(guò)簡(jiǎn)短的握手過(guò)程重建或者恢復(fù)之前的連接，通過(guò)復(fù)用之前的握手信息可以節(jié)省 1-RTT 的連接建立開(kāi)銷。

TCP 也提供了快速建立連接的方案 TFO (TCP Fast Open)，原理跟TLS 類似，也是將首次建立連接的狀態(tài)信息記錄下來(lái)，以Cookie 的形式傳輸給客戶端，如果想復(fù)用之前的連接，可以將Cookie 發(fā)送給服務(wù)器，如果服務(wù)器通過(guò)驗(yàn)證就能快速恢復(fù)之前的連接，TFO 技術(shù)可以通過(guò)復(fù)用之前的連接將連接建立開(kāi)銷縮短為 0-RTT。

因?yàn)門CP 協(xié)議內(nèi)置于操作系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)的升級(jí)普及過(guò)程較慢，因此TFO 技術(shù)至今仍未普及（TFO 在2014年發(fā)布于RFC 7413）。

從上圖可知，TCP 首次建立連接的開(kāi)銷為 1-RTT，快速?gòu)?fù)用/打開(kāi)連接的開(kāi)銷為 0-RTT，這與TLS 1.3 協(xié)議首次完整握手與快速恢復(fù)簡(jiǎn)短握手的開(kāi)銷一致。

客戶端發(fā)送的第一個(gè)SYN 握手包是可以攜帶數(shù)據(jù)的，但為了防止TCP 泛洪攻擊，TCP 的實(shí)現(xiàn)者不允許將SYN 攜帶的數(shù)據(jù)包上傳給應(yīng)用層。HTTP 協(xié)議中TCP 與TLS 常常配合使用，這里TCP 的第一個(gè)SYN 握手包可以攜帶TLS 1.3 的握手包，這就可以將TCP TLS 總的握手開(kāi)銷進(jìn)一步降低。

首次建立連接時(shí)，TCP 和TLS 1.3 都只需要 1-RTT 就可以完成握手過(guò)程，由于TCP 第一個(gè)SYN 握手包可以攜帶TLS 的握手包，因此TCP TLS 1.3 總的首次建立連接開(kāi)銷為 1-RTT。當(dāng)要快速恢復(fù)之前的連接時(shí)，TFO 和TLS 1.3 都只需要 0-RTT 就可以完成握手過(guò)程，因此TCP TLS 1.3 總的連接恢復(fù)開(kāi)銷為 0-RTT。

QUIC 可以理解為”TCP TLS 1.3“（QUIC 是基于UDP的，可能使用的是DTLS 1.3），QUIC 自然也實(shí)現(xiàn)了首次建立連接的開(kāi)銷為 1-RTT，快速恢復(fù)先前連接的開(kāi)銷為 0-RTT 的效率。QUIC 作為HTTP/2 的改進(jìn)版，建立連接的開(kāi)銷也有明顯降低，下面給出HTTP/2 和QUIC 首次連接和會(huì)話恢復(fù)過(guò)程中，HTTP 請(qǐng)求首個(gè)資源的RTT 開(kāi)銷對(duì)比：

	HTTP/2 TLS 1.2 首次連接	HTTP/2 TLS 1.2 會(huì)話恢復(fù)	HTTP/2 TLS 1.3 首次連接	HTTP/2 TLS 1.3 會(huì)話恢復(fù)	HTTP/2 TLS 1.3 會(huì)話恢復(fù) TFO	QUIC 首次連接	QUIC 會(huì)話恢復(fù)
DNS 解析	1-RTT	0-RTT	1-RTT	0-RTT	0-RTT	1-RTT	0-RTT
TCP 握手	1-RTT	1-RTT	1-RTT	1-RTT	0-RTT (TCP Fast Open)	-	-
TLS 握手	2-RTT	1-RTT	1-RTT	0-RTT	0-RTT	-	-
QUIC 握手	-	-	-	-	-	1-RTT	0-RTT
HTTP 請(qǐng)求	1-RTT	1-RTT	1-RTT	1-RTT	1-RTT	1-RTT	1-RTT
總計(jì)	5-RTT	3-RTT	4-RTT	2-RTT	1-RTT	3-RTT	1-RTT

從上表可以看出，QUIC 首次建立連接的開(kāi)銷比"HTTP/2 TLS 1.3"減少了 1-RTT，會(huì)話/連接恢復(fù)的開(kāi)銷降低到了 0-RTT（除去HTTP 自身請(qǐng)求資源的開(kāi)銷），顯著降低了網(wǎng)頁(yè)請(qǐng)求延遲。

值得一提的是，TCP 因?yàn)閳?bào)文首部是透明傳輸?shù)?，在安全防護(hù)方便比較脆弱，容易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊。QUIC 因?yàn)橛蠺LS 對(duì)數(shù)據(jù)包首部進(jìn)行加密和驗(yàn)證，增加了安全防護(hù)強(qiáng)度，更不容易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊。

2.3 QUIC 如何實(shí)現(xiàn)連接的無(wú)感遷移？

每個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接都應(yīng)該有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)，用來(lái)辨識(shí)并區(qū)分特定的連接。TCP 連接使用 這四個(gè)信息共同標(biāo)識(shí)，在早期PC 時(shí)代，這四個(gè)元素信息可以唯一標(biāo)識(shí)通信雙方的主機(jī)及端口，報(bào)文中也不需要一個(gè)專門的字段來(lái)標(biāo)識(shí)連接，減少了傳輸開(kāi)銷。

到了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，客戶端（比如手機(jī)）的位置可能一直在變，接入不同的基站可能就會(huì)被分配不同的Source IP 和Source Port。即便在家里，客戶端可能也需要在LTE 和WIFI 之間切換，這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)分配給客戶端的Source IP 和Source Port 可能也是不同的。

TCP 用來(lái)標(biāo)識(shí)連接的四個(gè)信息中的任何一個(gè)改變，都相當(dāng)于TCP 連接標(biāo)識(shí)改變了，也就變成了不同的連接，TCP 需要先斷開(kāi)舊的連接再建立新的連接，很顯然連接切換或遷移過(guò)程不夠順暢高效。

未來(lái)移動(dòng)設(shè)備越來(lái)越多，在通話或者玩游戲等對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)景中，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)遷移或切換導(dǎo)致TCP 斷開(kāi)連接會(huì)大大降低網(wǎng)絡(luò)服務(wù)體驗(yàn)，怎么解決TCP 因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)遷移或切換導(dǎo)致斷線重連的問(wèn)題呢？

早期移動(dòng)電話使用Mobile IP 技術(shù)來(lái)解決網(wǎng)絡(luò)遷移或切換過(guò)程引起的斷連問(wèn)題，Mobile IP 主要是通過(guò)新建IP 隧道的方式（也即建立一個(gè)新連接來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包）保持原來(lái)的連接不斷開(kāi)，但這種方式增加了數(shù)據(jù)包的傳輸路徑，也就增大了數(shù)據(jù)包的往返時(shí)間，降低了數(shù)據(jù)包的傳輸效率。Mobile IP 的工作原理如下（移動(dòng)主機(jī)遷移到外部代理后，為了保持原連接不斷開(kāi)，新建了一條到歸屬代理的IP 隧道，讓歸屬代理以原主機(jī)IP 轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包）：

TCP 為保持前向兼容性，沒(méi)法重新設(shè)計(jì)連接標(biāo)識(shí)，但為了解決移動(dòng)主機(jī)連接切換問(wèn)題還是推出了一套解決方案MPTCP (Multipath TCP，在2013年發(fā)布于RFC 6824) 。

針對(duì)移動(dòng)主機(jī)同時(shí)支持LTE 和WIFI 等多條連接鏈路的情況，設(shè)計(jì)的多路徑TCP 技術(shù)(MPTCP) 允許在一條TCP 鏈路中建立多個(gè)子通道，每個(gè)子通道都可以按照三次握手的方式建立連接，每個(gè)子通道的連接允許IP 不一致，這些子通道都會(huì)綁定到MPTCP Session（比如通過(guò)LTE 和WIFI 各建立一個(gè)子通道），發(fā)送端的數(shù)據(jù)可以選擇其中一條通道進(jìn)行傳輸。MPTCP 可以讓移動(dòng)主機(jī)在多個(gè)連接鏈路間順暢切換，切換過(guò)程不斷開(kāi)連接。

對(duì)于移動(dòng)主機(jī)跨基站連接遷移的問(wèn)題，也可以在原基站與目標(biāo)遷移基站之間各建立一個(gè)連接鏈路/子通道，當(dāng)移動(dòng)主機(jī)從一個(gè)基站遷移到另一個(gè)基站時(shí)，只是從一個(gè)鏈路子通道切換到另一個(gè)鏈路子通道，同樣能讓連接鏈路順暢遷移而不斷開(kāi)連接。MPTCP 跟TFO 技術(shù)類似，需要操作系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧支持，更新和部署阻力較大，目前并不適用。

QUIC 擺脫了TCP 的諸多限制，可以重新設(shè)計(jì)連接標(biāo)識(shí)，還記得前面給出的QUIC 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)嗎？QUIC 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)中有一個(gè)Connection ID 字段專門標(biāo)識(shí)連接，Connection ID 是一個(gè)64位的通用唯一標(biāo)識(shí)UUID (Universally Unique IDentifier)。

借助Connection ID，QUIC 的連接不再綁定IP 與 Port 信息，即便因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)遷移或切換導(dǎo)致Source IP 和Source Port 發(fā)生變化，只要Connection ID 不變就仍是同一個(gè)連接，協(xié)議層只需要將控制塊中記錄的Source IP 和Source Port 信息更新即可，不需要像TCP 那樣先斷開(kāi)連接，這就可以保證連接的順暢遷移或切換，用戶基本不會(huì)感知到連接切換過(guò)程。

3.1 TCP 擁塞控制機(jī)制的瓶頸在哪？

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)都處于一個(gè)共享環(huán)境中，可能會(huì)因?yàn)槠渌鳈C(jī)之間的通信使得網(wǎng)絡(luò)擁堵，如果在通信剛開(kāi)始時(shí)就突然發(fā)送大量數(shù)據(jù)，可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的擁堵阻塞。TCP為了防止該問(wèn)題的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)了擁塞控制機(jī)制來(lái)限制數(shù)據(jù)包的發(fā)送帶寬，實(shí)際就是控制發(fā)送窗口的大小。

TCP 發(fā)送數(shù)據(jù)的速率受到兩個(gè)因素限制：一個(gè)是目前接收窗口的大小，通過(guò)接收端的實(shí)際接收能力來(lái)控制發(fā)送速率的機(jī)制稱為流量控制機(jī)制；另一個(gè)是目前擁塞窗口的大小，通過(guò)慢啟動(dòng)和擁塞避免算法來(lái)控制發(fā)送速率的機(jī)制稱為擁塞控制機(jī)制，TCP 發(fā)送窗口大小被限制為不超過(guò)接收窗口和擁塞窗口的較小值。

TCP 通信開(kāi)始時(shí)，會(huì)通過(guò)慢啟動(dòng)算法得出的擁塞窗口大小對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)速率進(jìn)行控制，慢啟動(dòng)階段擁塞窗口大小從1 開(kāi)始按指數(shù)增大（每收到一次確認(rèn)應(yīng)答擁塞窗口值加1，收到一個(gè)窗口大小數(shù)量的確認(rèn)應(yīng)答則擁塞窗口大小翻倍），雖然擁塞窗口增長(zhǎng)率較快，但由于初始值較小，增長(zhǎng)到慢啟動(dòng)閾值仍然需要花費(fèi)不少時(shí)間。

為了防止擁塞窗口后期增長(zhǎng)過(guò)快，當(dāng)擁塞窗口大小超過(guò)慢啟動(dòng)閾值（一般為發(fā)生超時(shí)重傳或重復(fù)確認(rèn)應(yīng)答時(shí)，擁塞窗口一半的大?。┖?，就變更為線性增長(zhǎng)（每收到一個(gè)窗口大小數(shù)量的確認(rèn)應(yīng)答則擁塞窗口大小增加一個(gè)數(shù)據(jù)段），直到發(fā)生超時(shí)重傳或重復(fù)確認(rèn)應(yīng)答，擁塞窗口向下調(diào)整，擁塞窗口大小變化過(guò)程如下圖示：

從上圖可以看出，TCP 發(fā)生超時(shí)重傳時(shí)，擁塞窗口直接下調(diào)為 1，并從慢啟動(dòng)階段開(kāi)始逐漸增大擁塞窗口，當(dāng)超過(guò)慢啟動(dòng)閾值后進(jìn)入擁塞避免階段，這個(gè)過(guò)程對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸效率影響較大。

TCP 發(fā)生重復(fù)確認(rèn)應(yīng)答而觸發(fā)快速重傳時(shí)，判斷網(wǎng)絡(luò)擁堵情況更輕些，因此擁塞窗口下調(diào)為慢啟動(dòng)閾值 3個(gè)數(shù)據(jù)段的大小，相當(dāng)于直接跨過(guò)慢啟動(dòng)階段進(jìn)入擁塞避免階段，這個(gè)過(guò)程對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸效率影響相對(duì)較小，這種機(jī)制稱為快速恢復(fù)機(jī)制。

現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)帶寬相比TCP協(xié)議剛誕生時(shí)有了明顯的改善，TCP 的擁塞控制算法也成為影響網(wǎng)絡(luò)傳輸效率的一個(gè)瓶頸，如果觸發(fā)超時(shí)重傳的次數(shù)比較多，對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸效率的影響相當(dāng)大。

3.2 QUIC 如何降低重傳概率？

TCP 的擁塞控制機(jī)制是被超時(shí)重傳或者快速重傳觸發(fā)的，想要提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，容易想到兩個(gè)方案：一個(gè)是改進(jìn)擁塞控制算法；另一個(gè)是降低重傳次數(shù)。這里先介紹如何降低重傳次數(shù)/概率？

降低TCP 的重傳概率有兩個(gè)方向：

• 降低超時(shí)重傳概率：可以通過(guò)改善網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，提高重發(fā)超時(shí)閾值的計(jì)算準(zhǔn)確度，也就是提高往返時(shí)間RTT 的測(cè)量準(zhǔn)確度，來(lái)降低超時(shí)重傳概率；

  
  

• 降低丟包重傳概率：可以增加傳輸一定的冗余數(shù)據(jù)比如糾錯(cuò)碼，當(dāng)丟失部分?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)可以通過(guò)糾錯(cuò)碼恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)，降低丟包重傳的概率。

  
  

由于TCP 重傳 segment 的 Sequence Number 和原始的 segment 的 Sequence Number 保持不變，當(dāng)發(fā)送端觸發(fā)重傳數(shù)據(jù)包Sequence N后，接收到了該數(shù)據(jù)包，發(fā)送端無(wú)法判斷接收到的數(shù)據(jù)包是來(lái)自原始請(qǐng)求的響應(yīng)，還是來(lái)自重傳請(qǐng)求的響應(yīng)，這就帶來(lái)了TCP 重傳的歧義性，該問(wèn)題肯定會(huì)影響采樣RTT 測(cè)量值的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響重發(fā)超時(shí)閾值計(jì)算的準(zhǔn)確度，可能會(huì)增大數(shù)據(jù)包超時(shí)重傳的概率。

QUIC 采用單向遞增的Packet Number 來(lái)標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)包，原始請(qǐng)求的數(shù)據(jù)包與重傳請(qǐng)求的數(shù)據(jù)包編號(hào)并不一樣，自然也就不會(huì)引起重傳的歧義性，采樣RTT 的測(cè)量更準(zhǔn)確。

除此之外，QUIC 計(jì)算RTT 時(shí)除去了接收端的應(yīng)答延遲時(shí)間，更準(zhǔn)確的反映了網(wǎng)絡(luò)往返時(shí)間，進(jìn)一步提高了RTT 測(cè)量的準(zhǔn)確性，降低了數(shù)據(jù)包超時(shí)重傳的概率。

TCP 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只包括校驗(yàn)碼，并沒(méi)有增加糾錯(cuò)碼等冗余數(shù)據(jù)，如果出現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失或損壞，只能重新發(fā)送該數(shù)據(jù)包。沒(méi)有冗余的數(shù)據(jù)包雖然降低了傳輸開(kāi)銷，但增加了丟包重傳概率，因?yàn)橹貍饔|發(fā)擁塞控制機(jī)制，勢(shì)必會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。

適當(dāng)增加點(diǎn)冗余數(shù)據(jù)，當(dāng)丟失或損壞的數(shù)據(jù)量較少時(shí)，就可以靠冗余數(shù)據(jù)恢復(fù)丟失或損壞的部分，降低丟包重傳概率。只要冗余數(shù)據(jù)比例設(shè)置得當(dāng)，提高的網(wǎng)絡(luò)傳輸效率就可以超過(guò)增加的網(wǎng)絡(luò)傳輸開(kāi)銷，帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)利用率的正向提升。

QUIC 引入了前向冗余糾錯(cuò)碼（FEC: Fowrard Error Correcting），如果接收端出現(xiàn)少量（不超過(guò)FEC的糾錯(cuò)能力）的丟包或錯(cuò)包，可以借助冗余糾錯(cuò)碼恢復(fù)丟失或損壞的數(shù)據(jù)包，這就不需要再重傳該數(shù)據(jù)包了，降低了丟包重傳概率，自然就減少了擁塞控制機(jī)制的觸發(fā)次數(shù)，可以維持較高的網(wǎng)絡(luò)利用效率。

糾錯(cuò)碼的原理比較復(fù)雜，如果想對(duì)糾錯(cuò)碼有更多的了解，可以參考文章：二維碼的秘密，文中簡(jiǎn)單介紹了二維碼中的糾錯(cuò)碼是如何實(shí)現(xiàn)信息糾錯(cuò)和補(bǔ)全的。

3.3 QUIC 如何改進(jìn)擁塞控制機(jī)制？

TCP 的擁塞控制實(shí)際上包含了四個(gè)算法：慢啟動(dòng)、擁塞避免、快速重傳、快速恢復(fù)?，F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境改善速度較快，TCP 的慢啟動(dòng)與擁塞避免過(guò)程需要的時(shí)間較長(zhǎng)，雖然TCP 也在不斷更新改進(jìn)擁塞控制算法，但由于TCP 內(nèi)置于操作系統(tǒng)，擁塞控制算法的更新速度太過(guò)緩慢，跟不上網(wǎng)絡(luò)環(huán)境改善速度，TCP 落后的擁塞控制算法自然會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)利用效率。

QUIC 協(xié)議當(dāng)前默認(rèn)使用了 TCP 的 Cubic 擁塞控制算法，同時(shí)也支持 CubicBytes、Reno、RenoBytes、BBR、PCC 等擁塞控制算法，相當(dāng)于將TCP 的擁塞控制算法照搬過(guò)來(lái)了，QUIC 是如何改進(jìn)TCP 的擁塞控制算法的呢？

QUIC 直接照搬TCP 的擁塞控制算法只是借鑒了TCP 經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的成熟方案，由于QUIC 是處于應(yīng)用層的，可以隨瀏覽器更新，QUIC 的擁塞控制算法就可以有較快的迭代速度，在TCP 的擁塞控制算法基礎(chǔ)上快速迭代，可以跟上網(wǎng)絡(luò)環(huán)境改善的速度，盡快提高擁塞恢復(fù)的效率。

QUIC 還將擁塞控制算法設(shè)計(jì)為可插拔模塊，可以根據(jù)需要為不同的連接配置不同的擁塞控制算法，這樣可以為每個(gè)連接根據(jù)其網(wǎng)絡(luò)環(huán)境配置最適合的擁塞控制算法（可以根據(jù)大數(shù)據(jù)和人工智能計(jì)算結(jié)果自動(dòng)精準(zhǔn)配置），盡可能讓每個(gè)連接的網(wǎng)絡(luò)帶寬得到最高效的利用。

- EOF -