7.3 HTTP性能提升（QUIC）

随着1990年World Wide Web的发明，HTTP就一直存在，且一直运行在TCP之上。最早的 HTTP 版本是HTTP/1.0，因为其使用TCP的方式不当，有着很多性能问题，例如，每次请求一个对象都需要建立一个新的TCP连接，当收到返回之后又要关闭连接。随后提出的HTTP/1.1旨在更好的利用TCP。TCP在HTTP提出的20多年时间里持续作为其底层协议。

实际上，使用TCP来支持Web一直以来都是有问题的，尤其是一个可靠的顺序字节流并不完全是Web流量的模型。具体来说，因为大部分web页面包含了大量的对象（注，例如图片，html，css等），合理的方式应该是同时并发请求多个对象，但是TCP只提供了一个字节流。如果丢了一个包，TCP会等待其重传成功，之后再继续传输，而HTTP更乐于不受这一个丢包的影响，而继续接受其他不受这个丢包影响的对象。同时开多个TCP连接明显可以是个解决方案，但又有不能在多个连接之间共享拥塞信息的缺点。

其他的一些导致 TCP 减分的因素还包括：

• 高延时无线网络的广泛使用

• 单个设备使用多个网络（例如WiFI和蜂窝网）

• Web上越来越多的加密和认证连接

这一切使得人们认识到，HTTP最好使用一个新的传输层，而填补这个空白的协议就是QUIC。

QUIC于2012年起源于Google，随后被作为一个标准在IETF研究。目前已经可以看到大量的部署，大部分Web浏览器和很多主流的网站已经在使用QUIC，甚至在一些非HTTP的应用程序中也开始使用QUIC。可部署性是QUIC开发人员的一个关键考量。QUIC有很多复杂的部分——它的规范跨越了数百页的三个RFC，但我们在这里只关注它的拥塞控制方法，它融合了我们在本书中迄今为止看到的许多想法。

• 与TCP一样，QUIC在数据的传输过程中实现拥塞控制，但是它也意识到没有完美的拥塞控制算法。所以，它也允许不同的发送端可以使用不同的拥塞控制算法。QUIC规范中的基本算法类似于TCP NewReno，但是发送端可以单方面的选择一个不同的算法，例如CUBIC。QUIC提供了可以用来探测丢包的所有机制，以供各种拥塞算法使用。

• QUIC包含了很多设计使得丢包和拥塞的探测比TCP更加的健壮。例如，TCP一个packet不管它是第一次传输还是重传，都是用相同的序列号，而QUIC的序列号（叫做packet numbers）是严格递增的。更高的packet number表明packet更晚被发送，而更小的packet number表明packet更早被发送。这意味着总是能够区分一个packet究竟是第一次传输还是因为丢包或者超时而重传。

• TCP的序列号指的是字节数，而QUIC的packet number直接表示的就是packet数量。QUIC的packet number空间很大，有61bit，所以不会像TCP的序列号一样溢出。

• QUIC协议内置了选择性确认（selective ACK），且比TCP的SACK option中最多支持确认3段数据更多。这提升了在高丢包环境的性能，因为只要部分packet被成功收到了，传输就能够继续。

• 相比TCP快速重传中的重复ACK，QUIC采用了一种更加健壮的方式来确定丢包。这个方式是独立于QUIC开发的，叫做RACK-TLP：Recent Acknowledgements and Tail Loss Probes。重复的ACK在某些场合是不能工作的，例如发送端在丢包之后并没有发送足够多的数据来触发重复ACK，又比如重传包自己又丢失了。同样的，包乱序也会触发快速重传，而此时并没有丢包。QUIC通过RACK-TLP中的两个机制来解决这里的问题：

  • 一个包在超过了一定时间，或者其后的第 K 个包被确认了（其中 K 是参数），还未被确认，那么就认为这个包丢包了。这可以确保少量的包乱序不被解读为丢包。K 建议最初设置为 3，并可以随后更新。这里的“超过一定时间”是指比测量的 RTT 略长一些的时间。

  • 在“probe timeout interval”之后，如果还未收到 ACK，就发送一个探测包，并期望通过探测包的 ACK 来获取有关丢包的信息。这样可以确保即使数据包不能触发足够的重复 ACK，探测包也能诱发更多的 ACK，并暴露出接收端丢失的数据包。“probe timeout interval”会考虑 ACK 所能遇到的所有延时，具体来说是通过预估的 RTT 和其预估的变化值计算获得。

QUIC是当今世界最有趣的传输层协议研究之一。TCP有很多限制已经存在了数十年，但是QUIC代表了能够撼动TCP地位的最成功尝试之一。它同时也将TCP几十年来基于实际经验改良的拥塞控制算法作为基本能力集成进来。因为QUIC来源于HTTP以及Web的经验，它们是在TCP已经在互联网完全部署之后很久才兴起的，所以它是一个展示了网络分层设计优势的绝妙例子（即，应用层不用动，只需要优化传输层就能优化整体性能）。有关QUIC还有很多内容，其定义在RFC9000，其拥塞控制算法在RFC9002。

更多阅读：J. Iyengar and I. Swett, Eds. QUIC Loss Detection and Congestion Control. RFC 9002, May 2021.