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引言
在过去的三十年中，HTTP（超文本传输协议）一直是互联网的支柱。我们能够浏览网页、下载文件、流式传输电影等，都是因为HTTP。这个协议多年来不断发展，见证了重大的改进。
HTTP协议是一个应用层协议，工作在TCP（传输控制协议）之上。TCP协议有一些限制，导致网络应用程序响应性较差。
谷歌开发了一种改变游戏规则的传输协议QUIC，以克服TCP的缺点。QUIC几年前被标准化并加入到IETF（互联网工程任务组）。
在过去几年中，QUIC的采用呈指数级增长。大多数科技公司，如谷歌、Facebook、Pinterest等，已经开始采用使用QUIC作为传输层的HTTP/3.0。这些公司在使用HTTP/3.0和QUIC后，其网站性能有了显著提升。
让我们开始我们的旅程，了解QUIC如何取代TCP。我们首先将了解一些基本的TCP和UDP网络概念。之后，我们将看看HTTP的演变，以及每个版本是如何克服前一个版本的限制的。然后，我们将了解QUIC是什么以及它的工作原理。我们将探讨为什么QUIC的性能比TCP高。
TCP和UDP是如何工作的？
TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）是传输层协议。这些协议管理互联网数据包流向和来自任何电子设备的过程。让我们详细了解这两个协议是如何工作的。
TCP
TCP是一种基于连接的协议。客户端与服务器建立连接，然后发送数据。TCP连接是通过一种称为三次握手的机制建立的。下图展示了三次握手过程：
这个过程包括三个步骤：
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SYN - 客户端向服务器发送一个SYN数据包。
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ACK - 服务器接收到SYN后，通过ACK数据包向客户端发送确认。
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SYN-ACK - 客户端收到服务器的ACK数据包后，最终通过SYN-ACK向服务器发送确认。
TCP是一个有状态和可靠的协议。它保证从一台设备到另一台设备的所有数据包的传输。此外，它允许客户端和服务器使用相同的连接进行通信。
UDP
UDP是一种无连接协议。与TCP不同，客户端和服务器之间没有三次握手。客户端向服务器发送数据包，不等待服务器的确认。
UDP不能保证100%的数据包传输。数据包可能会丢失，可能无法到达另一台设备。UDP不像TCP那样可靠。
由于没有初始握手，UDP比TCP快得多。出于性能原因，UDP主要用于流式数据应用程序，如音乐/视频。
这是一个流行的互联网梗，对TCP/UDP进行了调侃：
到目前为止，我们已经了解了TCP和UDP协议是如何工作的。现在让我们探索HTTP协议，这是一个应用层协议。
HTTP的演变
由Tim Berners-Lee在CERN开发的HTTP的第一个版本是在1989年。从那时起，该协议经历了多次优化和性能改进。大多数现代设备使用HTTP 1.1/ HTTP 2.0和HTTP 3.0。让我们回顾一下HTTP的历史，了解协议经历的重大变化。
HTTP/1.0
在最初的HTTP/0.9版本之后，HTTP/1.0开始支持头、请求体、文本文件等。客户端每次使用HTTP从服务器获取数据时，都必须创建一个TCP连接。这导致在建立连接时显著浪费资源。
HTTP/1.1
这个协议增加了对重用客户端和服务器之间现有TCP连接以获取新数据的支持。这是通过HTTP头keep-alive实现的。
如果客户端想要获取10个JavaScript文件，那么它将与服务器建立一个连接。然后，它将重用相同的连接来获取这10个文件，而不是为每个文件创建一个新连接。
这导致资源浪费减少和性能提升，因为它避免了创建多余的连接。然而，一个主要的缺点是众所周知的_队头阻塞_问题。
下图展示了_队头阻塞_问题。
让我们通过一个例子来理解这个概念。如上图所示，你有3个文件 - 图像、文本和视频。视频文件体积较大，传输时间会更长。由于视频文件传输时间较长，它会阻塞图像和文本文件的发送。
HTTP/2.0
HTTP 2.0通过多路复用解决了_队头阻塞_问题。通过多路复用，多个文件可以通过同一个TCP连接发送。
这导致了性能提升，并解决了应用层面的队头阻塞问题。然而，在TCP层面，如果发生数据包丢失，它必须等待数据包重传。
多路复用解决方案在数据包丢失的情况下并不像预期的那样有效。实际上，如果数据包丢失超过5%，HTTP 1.1的性能比HTTP 2.0更好。_队头阻塞_问题从应用层转移到了传输层。
下图展示了单个数据包丢失如何导致多个流延迟：
当一个数据包丢失时，TCP将其后续数据包存储在其缓冲区中，直到收到丢失的数据包。然后TCP使用重传来获取丢失的数据包。HTTP无法看到TCP重传。因此，在这种情况下，不同的流会看到传输延迟。
什么是QUIC？
在过去的几个部分中，我们看到了TCP有一些固有的限制，如三次握手和队头阻塞。这些限制可以通过增强TCP或用新协议替换TCP来解决。
尽管增强TCP很简单，但TCP存在于最低层，与操作系统紧密耦合。简单来说，TCP的代码存在于内核层而不是用户空间。考虑到大量的设备，实施内核空间的更改将需要大量的时间才能到达所有用户。
因此，谷歌提出了一种新的协议QUIC，作为TCP的替代品。像TCP一样，QUIC也是一个传输层协议。然而，它位于用户空间而不是内核空间。这使得它容易更改和增强，与TCP不同。
QUIC在UDP之上工作。它通过使用UDP克服了TCP的限制。它只是一个在UDP之上的层或包装器。该包装器添加了TCP的功能，如拥塞控制、数据包重传、多路复用等。它内部使用UDP，并在其上添加了TCP的最佳功能。
下图显示了QUIC如何适应网络栈：
现在我们已经了解了QUIC的基础知识，让我们深入了解这个协议的工作原理。
QUIC是如何工作的？
QUIC握手
QUIC在UDP上工作，它不需要经过三次握手过程。三次握手过程增加了额外的开销，增加了延迟。因此，QUIC通过减少连接延迟来提高性能。
在TCP的情况下，还有一个额外的用于TLS的握手，这也增加了延迟。QUIC将TLS握手和QUIC握手合并为一个调用。它优化了握手过程并提高了性能。
可靠性
您可能会想“既然QUIC在UDP上工作，数据包会丢失吗？”。答案是不。QUIC在UDP堆栈上添加了可靠性。它实现了数据包重传，以防它没有收到必要的数据包。例如：如果服务器没有收到来自客户端的第5个数据包，协议将检测到它并要求客户端重新发送相同的数据包。
多路复用
与TCP类似，QUIC也实现了多路复用。客户端可以使用单个通道同时传输多个文件。QUIC为每个流（传输的文件）创建一个UUID。它使用UUID来识别流。然后，多个流通过单个通道发送。
下图展示了QUIC中多路复用是如何工作的：
QUIC还通过其多路复用解决了TCP面临的队头阻塞问题。如果一个流遭受数据包丢失，只有该流会受到影响。QUIC中的流是独立的，不会影响彼此的工作。
安全性
此外，QUIC 还支持 TLS 1.3（传输层安全性）。这保证了数据的安全性和保密性。TLS 加密了 QUIC 协议的大部分内容，例如数据包编号和连接关闭信号。
为什么选择QUIC？
- 降低延迟 - QUIC通过将TLS握手与连接建立结合起来，最小化了延迟。这也被称为0-RTT（零往返时间）。它实现了更快的连接建立，并提高了网络应用程序的性能。
- 多路复用 - 通过多路复用，QUIC可以在单个通道上发送多个数据流。这对于下载多个文件（如图像、JavaScript、CSS等）的客户端应用程序非常有用。
- 连接迁移 - 使用QUIC，您可以在不出现任何问题的情况下从一种网络接口切换到另一种（例如从Wi-Fi切换到移动数据）。这对于移动设备很重要，并提高了用户体验。
- 提高安全性 - QUIC使用TLS 1.3，提供更好的安全性。此外，它还加密了协议的大部分，与只加密HTTP有效载荷的TCP和TLS不同。与TCP相比，它更能抵御安全攻击。
- 广泛支持 - 自其诞生以来，它的采用率一直在上升。这进一步加强了它的有效性。
HTTP/3和QUIC
HTTP/3是超文本传输协议（HTTP）的最新版本。它内部使用QUIC而不是TCP。它旨在为现代网络提供更有效和安全的基础。它拥有QUIC提供的所有优势。
HTTP/3由IETF标准化。今天，很大一部分互联网流量依赖于HTTP/3。以下是显示HTTP/3采用率的图表：
从上述图表中可以看出，采用率已经飙升至30%，并逐渐超越了HTTP/1.1。按照目前的发展速度，HTTP/3.0将在未来几年逐渐超越HTTP/2.0。
结论
自三十年前HTTP诞生以来，互联网已经走过了漫长的道路。HTTP的演变使在线体验更加高效和响应迅速。随着现代应用程序需求的增长，我们意识到了底层协议如TCP的固有限制。
谷歌开发了改变游戏规则的协议QUIC。它利用UDP并解决了TCP的所有不足。降低延迟、多路复用、增强安全性和连接迁移是QUIC的一些显著特点。QUIC带来的创新解决了队头阻塞等问题。
像谷歌和Facebook这样的大型科技公司通过在HTTP/3中采用QUIC，在性能上取得了显著提升。随着采用率的上升和日益增长的支持，HTTP/3将成为互联网通信的标准。在未来几年，互联网将发展并过渡到HTTP/3，以实现效率、可靠性和性能。