怎么把网站升级到QUIC以及QUIC特性分析

QUIC是什么？QUIC是谷歌推出的一套基于UDP的传输协议，它实现了TCP + HTTPS + HTTP/2的功能，目的是保证可靠性的同时降低网络延迟。因为UDP是一个简单传输协议，基于UDP可以摆脱TCP传输确认、重传慢启动等因素，建立安全连接只需要一的个往返时间，它还实现了HTTP/2多路复用、头部压缩等功能。它是一个很大的协议，全称是Quick UDP Internet Connection.

为什么要使用UDP呢？因为TCP是系统内核实现的，如果升级TCP协议，就得让用户升级系统，这个的门槛比较高，而QUIC在UPD基础上由客户端自由发挥，只要有服务器能对接就可以、比较遗憾的是现在主流的代理服务Nginx/Apache都没有实现QUIC，一些比较小众的代理服务如Caddy就实现了。

另外，笔者参加了5月份在上海的WebRTConf，很多讲师都认为QUIC并没有达到谷歌宣传的效果，并且国内运营商有些是屏蔽掉UDP传输的。不过使用UDP本身不是大问题，因为很多游戏如农药、吃鸡的传输协议也是基于UDP封装的，运营商应该只是屏蔽掉了UDP的部分端口如500/4500。

至于QUIC的性能怎么样，我们不妨自已实验一下。怎么在自己的网站开启QUIC呢？

一、开启QUIC

大部分人的网站应该是使用Nginx或者Apache做的服务代理，作用是可以让一台服务器开启多个网站，并支持http/https等协议，业务服务如 PHP 等就不用去关心类似于怎么建立https连接、加密数据、怎么添加gzip压缩之类的问题了。但是它们都不支持QUIC，可能它们认为这个协议现在还不是特别成熟，迭代比较快，整个协议比较复杂，实现起来比较累。。。

所以需要再加一个 Caddy ，它支持QUIC，那是不是说我们得抛弃nginx，改换Caddy。并不用，我们用它来处理QUIC服务就行了，其它的还是走nginx。因为nginx是监听在TCP的443和80端口，我们可以让Caddy只监听在UDP的443端口，两者不冲突。如下图，用netstat命令输出http/https端口占用情况：

问题在于，你启动Caddy之后，如果给它指定了https的域名，它必定要占用tcp:443端口，而tcp:443已经被nginx占用了，所以它就启动不了了：

$ sudo ./caddy -quic -conf ./conf
Activating privacy features... done.
2018/06/09 10:03:25 listen tcp :443: bind: address already in use

所以这个解决方法在网上搜了一下，有些人是使用一个 docker 容器，把Caddy跑在里面和nginx的环境隔离开，只把udp:443端口给docker使用，这样就没问题了。但是新开一个docker成本有点高，如果之前没玩过的话。

所以我就想到有没有办法去改它源码，不要让它监听tcp:443，然后重新编译一个呢？试了一下，果然可以，这个方法相应比较简单。

首先，需要安装 go 和github，如果之前没有装过的话，因为它是使用Golang写的，使用CentOS系统可以这样：

yum install go
yum install github

然后下载源码：

go get github.com/mholt/caddy/caddy
go get github.com/caddyserver/builds

编译安装：

cd ~/go/src/github.com/mholt/caddy/caddy
go run build.go

就会在当前目录下生成一个可执行文件caddy，编译速度非常快，半分钟不到就好了。然后改下源码，在：

caddy/caddyhttp/httpserver/server.go

在这个文件的 Listen这个函数里面，把其中一行注释掉，换成：

// ln, err := net.Listen("tcp", s.Server.Addr)
ln, err := net.Listen("tcp", "127.0.0.1:61234")

就是把原本的443地址换成一个没用的地址，然后重新编译，就能在已经开了nginx的情况下正常启动Caddy了，它需要一个配置文件，如下conf文件所示：

https://www.yinchengli.com
tls /etc/letsencrypt/live/www.yinchengli.com/fullchain.pem /etc/letsencrypt/live/www.yinchengli.com/privkey.pem
root /home/blog/
gzip
fastcgi / 127.0.0.1:9000 php {
    root /home/blog/
}
 
rewrite {
r .*
ext /
to /index.php?{query}
}

指定tls的证书，通过fastcgi指令把服务代理到本地的9000端口的php服务，并指定wordpress所在的目录，还可以开启gzip/server push这些东西。然后启动Caddy：

$ sudo ./caddy -quic -conf ./conf 
Activating privacy features... done.
https://www.yinchengli.com

为了能让Caddy变成一个守护进程运行在后台，可以使用nohup命令：

nohup sudo ./caddy -quic -conf ./conf  >/dev/null 2>&1 &

通过netstat可以看到，已经成功在udp开启443服务了：

浏览器怎么知道网站支持QUIC呢？需要我们给nginx添加一个http头部：

location / {
     add_header alt-svc 'quic=":443"; ma=2592000; v="39"';
}

浏览器还是先用TCP发起http请求，如果检测到这个头部：

就会切换到QUIC，但是它要是发现QUIC连接不可建立，就还是会继续使用TCP连接，所以不用担心QUIC不可用的问题。我们可以装一个 HTTP/2 and SPDY inspector ，如果是网站是使用QUIC协议的话，闪电就会变成绿色（普通的HTTP/2是蓝色）：

或者是打开 chrome://net-internals/#quic 也是会显示使用QUIC的网站，如下图所示：

可以看到，我们已经成功开启了QUIC。并且发现谷歌搜索、谷歌邮箱等谷歌的主要服务都使用了QUIC，国内的主要有腾讯云提供支持，QQ空间就是用的QUIC.

现在比较一下QUIC和TCP方式的加载速度，加载同一个网页，禁掉缓存，连续刷新5次，如下图所示：

我们发现，似乎在网络比较好的情况下，QUIC似乎并没有太大的提升。那是不是说只有在网络比较差，丢包比较厉害的情况下QUIC才能发挥它的优势？实际上QUIC并不是专门针对抗丢包设计的，它的目的是做为一种通用传输协议。当然，丢包在网络传输也是一个很重要的话题。

二、QUIC协议

Chromium文档 里介绍了使用QUIC的优点，有以下5点：

1. 通过减少往返次数，以缩短连接建立时间
2. 使用一种新的ACK确认机制（包含了NACK），达到更好的拥塞控制
3. 多路复用，并解决HTTP/2队头阻塞问题，即一个流的TCP包丢失导致所有流都暂停组装。在QUIC里面，一个流的包丢失只会影响当前流，不会影响其它流。
4. 使用FEC（前向纠错）恢复丢失的包，以减少超时重传
5. 使用一个随机数标志一个连接，取代传统IP + 端口号的方式，使得切换网络环境如从4G到wifi仍然能使用之前的连接。

我们将围绕这几个点研究一下QUIC协议。

1. 建立连接

QUIC只需要一次往返就能建立HTTPS连接，如 下图 所示：

左一表示TCP连接的3次握手需要100ms，左二表示建立HTTPS连接，首次建立需要300ms，已经建立过的需要200ms（算上TCP的三次握手），左三使用QUIC第一次建立只需要100ms，如果建立过了不需要再确认直接0ms.

我们再一次实验一下，QUIC建立连接时间是否会比使用TCP的短，首先是使用TCP的时间，如下图所示：

可以看到初始化建立连接的平均时间为60ms左右，建立SSL连接时间为30ms左右，这个SSL时间是包含在了初始化建立时间里面。

再看一下开启QUIC的：

初始化建立连接时间和SSL握手时间是一样的，在这一组实验里面平均时间仅为23ms，所以可以看到这个QUIC的连接建立延迟还是有比较大的提升。

那么QUIC连接建立的过程是怎么样的呢？怎么实现一次往返就要包含TCP的三次握手以及建立HTTPS连接的功能？

我们先回忆一下HTTPS建立握手的过程，如下图所示：

这个过程我在《 https连接的前几毫秒发生了什么 》做了详细介绍。这个过程最少需要3个RTT时间，上图省略了一些ACK的确认。QUIC的一个RTT是怎么做到的呢？如下图所示：

QUIC的报文是使用key/value的键值对表示的，key是32位字符串，例如Client Hello用CHLO表示，这4个字母在ASCII表分别为：0x43、0x48、0x4c、0x4f，所以key值为4348 4c4f，共4个字节32位。如果key值只有3个字母，最后一位就为NULL(0)。

第1步客户端发送一个CHLO报文，这个报文里面包含了想要连接的域名和客户端支持的加密套装，还有一个STK，它是Source Address Token的缩写，这个是服务端下发的，第一次连接客户端是没有这个的。

第2步服务端收到Client Hello之后，会发一个Reject响应，由于缺少必要的信息所以拒绝连接，并且会下发一个第1步提到的STK，这个用来区分不同的IP，主要是做为防止DDOS攻击的一个手段，因为DDOS攻击通常会使用假的IP地址，导致TCP连接第三次握手失败，服务端会一直等待最后一个ACK报文，但是由于源IP是一个假的IP，永远等不到，所以就消耗了连接池的资源，当黑客通过病毒等方式控制了很多台计算机之后，每台计算机在同一个时间段不断地伪造源IP发起握手请求，就会导致服务端处理不过来直接瘫痪了。但是在QUIC里面由于服务端根据不同的IP下发一个token，客户端在发起连接请求的时候需要带上这个token，如果token不对的话，服务端可直接拒绝连接，这样DDOS的不断地变换IP就没效了。

除了下发STK，还有一个Server Config，这个Server Config里面包含了服务端支持的密钥交换算法列表和每个算法对应的公钥，客户端决定它想要用的密钥交换算法后取出相应的公钥，再加上服务端的随机数Server Nonce和客户端自己生成的随机数，使用这个3个数生成一把加密数据的主密钥。所以在这个RTT之后，客户端就可以开始加密和发送数据了，就达到了一个RTT就能发数据的目的。在以后建立的连接，只要有这个Server Config就能直接发数据，达到再次连接0RTT的目的。这个Server Config有一个效期，超过有效期需要重新获取。但是这样会有一个问题，就是每次交换的公钥是一样的，就会有 重放攻击 （ Replay Attack ）的危险，所以这个虽然可以发数据了，但是需要有第3步确保后续的操作更加安全。Chrome限制了在这个阶段发送的数据类型只能是GET类型的。

第3步客户端发送一个完整的CHLO，除了第一步有的key/value之外，还新加了客户端的随机数nonce、密钥交换算法和公钥。

第4步服务端收到之后再返回一个实时生成的公钥给客户端，客户端收到之后重新生成主密钥，用新的主密钥加密数据。QUIC里面的公钥是可以动态变换的，例如1分钟就换一次。

这一整个就是一个比较完整的QUIC的连接建立过程了，更详细的说明可以见 谷歌文档 。

在实际的传输中，观察到0s的连接建立：

这个应该就是QUIC的0RTT了。

2. 新的ACK确认机制

其中包括NACK的确认机制，NACK是Negative ACK的意思，意思是接收方告知发送方哪些包丢了。在普通的TCP里面，如果发送方收到三个重复的ACK就会触发快速重传，如果太久没收到ACK就会触发超时重传，而使用NACK可以直接告知发送方哪些包丢了，不用等到超时重传。TCP有一个SACK的选项，也具备NACK的功能，QUIC的NACK有一个区别它每次重传的报文序号都是新的。

QUIC的ACK帧包含了NACK区，如下图所示：

比较详细的QUIC ACK确认机制本篇不再深入讨论。

3. 解决多路复用队头阻塞问题

HTTP/2里的多路复用就是指多个HTTP请求共用一个TCP连接，以减少TCP连接数，达到复用高速信道的作用。但是由于它是基于TCP，会导致如果有一个包丢了，那么TCP的接收窗口就不会往右移动了，直到那个包重传补上了才能往右移动。由于QUIC是基于UDP自已实现的，所以想怎么搞就怎么搞，就可以手动解决这个问题，所有流都连续接收，丢的包的那个流不能够组装，但是其它流不会影响到。

4. FEC前向纠正拥塞控制

FEC是Forward Error Correction前向错误纠正的意思，就是通过多发一些冗余的包，当有些包丢失时，可以通过冗余的包恢复出来，而不用重传。这个算法在多媒体网关拥塞控制有重要的地位。QUIC的FEC是使用的XOR的方式，即发N + 1个包，多发一个冗余的包，在正常数据的N个包里面任意一个包丢了，可以通过这个冗余的包恢复出来，使用异或可以做到：

let
E = XOR(A, B, C, D)
then 
-A = XOR(B, C, D, E)
-B = XOR(A, C, D, E)
-C = XOR(A, B, D, E)
-D = XOR(A, B, C, E)

E是一个冗余的包，如果A、B、C、D任意一个包丢失都可以借助E计算恢复出来，这里面可能会涉及到一些矩阵运算，具体过程不深入探讨。这种XOR FEC的优点是计算相对简单，缺点是只能只有一个包丢的情况才能恢复，丢了两个就恢复不了了。

5. 切换网络操持连接

经常会有从4G切换到wifi网络或者是从wifi切换到4G网络的场景，由于网络的IP变了，导致需要重新建立连接，而QUIC使用一个ID来标志连接，即使切换网络也可以使用之前的建立连接的数据如交换的密钥，而不用再重新HTTPS握手，不过切换的过程可能会导致有些包丢了，需要利用FEC恢复或者重传。

三、小结

本文介绍了使用Caddy结合nginx提供QUIC服务，需要改一下Caddy的源码，让Caddy只监听在UDP的443端口不要的正常的nginx占用的tcp:443产生冲突。由Caddy支持QUIC服务，而Nginx还是提供普通的HTTP/2服务。

为什么要升级到QUIC呢，因为QUIC是改良版的TCP + HTTPS + HTTP/2，我们可以在实践中使用一下收集一些数据，做一些比较。QUIC是一个很大的协议，本文没有面面俱到，主要是介绍了QUIC握手的过程，重点分析了1个RTT是怎么实现的，还介绍了QUIC使用的NACK和FEC，以达到更好的拥塞控制。

更多关于QUIC的内容可以看Chromium的文档 ： QUIC, a multiplexed stream transport over UDP .

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