QUIC协议原理及实现分析

weixin_41911222 2022-01-18 16:28:37

QUIC的基本概念

QUIC全称 Quick UDP Internet Connection（快速UDP互联网连接），是由Google提出的使用UDP协议进行多路并发传输的协议。

QUIC相比现在广泛应用的HTTP/2.x + TCP + TLS协议主要有这些优势：减少了TCP三次握手及TLS握手时间、改进的拥塞控制、避免HOL（队头阻塞）的多路复用、连接迁移、前向冗余纠错。

为了实现传输的可靠性，它基本上实现并且改进了整个 TCP 协议的功能，包括序列号，重传，拥塞控制，流量控制等。
为了实现传输的安全性，它又彻底重构了 TLS 协议，包括证书压缩，握手消息，0RTT 等。虽然后续可能会采用 TLS1.3 协议，但是事实上是 QUIC 推动了 TLS1.3 的发展。
为了实现传输的并发性，它又实现了 HTTP2 的大部分特性，包括多路复用，流量控制等。

QUIC的数据包格式

QUIC的数据包分为Header和Data部分，其中Header是明文传输，包括Flags是标志位，Connection ID是连接ID，可用于连接迁移，QUIC Version是QUIC的版本号，Packet Number是包序号，用于保证可靠传输；Data部分是密文传输，是一些数据帧，有很多数据帧类型：Stream、ACK、Padding、Blocked等，其中Stream帧传输应用数据。

Stream

Frame Type: Bit7~Bit0

Bit7：必须设置为1，表示Stream帧
Bit6：如果设置为1，表示发送端在这个stream上已经结束发送数据，流将处于半关闭状态
Bit5：如果设置为1，表示Stream头中包含Data Length字段
Bit432：表示offset的长度。000表示0字节，001表示1字节，002表示2字节，以此类推
Bit10：表示Stream ID的长度。00表示1字节，01表示2字节，10表示3字节，11表示4字节

QUIC的实现原理

1. 建立连接

建立https连接

先分析一样https的握手过程，包括TCP握手和TLS(Transport Layer Security)握

https连接耗时3个RTT

QUIC基于TLS建立连接

右边展示的是ECDH算法，一个RTT就可以协商好通信秘钥。

2. 可靠传输

QUIC是基于UDP的协议，而UDP是不可靠传输，QUIC如何实现可靠传输呢？
可靠传输必须满足两个条件：

数据完整性：发送端发出的数据包，接收端都能收到
数据有序性：接收端能按序组装数据包，解码得到原始数据

可靠传输：数据完整性

实现方案：基于包号PKN和确认应答SACK的丢包重传机制

PKN是单调递增的，即使是重传，PKN也和之前的不一样。那么接收端怎么保证数据的有序性呢？
通过添加数据包在原始数据中的偏移量offset，接收端根据offset字段对异步到达的数据包进行排序

3. 流量控制

就是说发送端发出的包，接收端要有足够的缓冲空间来接收。
和TCP一样，QUIC也是利用滑动窗口机制实现流量控制，也就是连续ARQ协议

如果发送端收到了接收端的ACK帧，窗口就会向右移动，可用窗口就会变大，然后发送新的数据包。

虽然都是采用滑动窗口机制，和TCP不同的是，QUIC的滑动窗口分为Connect和Stream两种级别。

Connnect流量控制：规定了所有数据流的总窗口大小
Stream流量控制：规定了每个流的窗口大小

因为QUIC中每个连接上可以发送多个请求，每个请求对应一条流，每个流有自己的滑动窗口，整个连接也有一个滑动窗口，其大小是所有流的可用窗口之和。

QUIC源码分析

2.1 QuicClientBase类的关键信息

2.1.1 关键成员


  // Address of the server.
  QuicSocketAddress server_address_; //quic的socket address

  // If initialized, the address to bind to.
  QuicIpAddress bind_to_address_; //quic绑定的quic address

  // Local port to bind to. Initialize to 0.
  int local_port_; //quic的udp port

  // config_ and crypto_config_ contain configuration and cached state about
  // servers.
  QuicConfig config_; //quic连接配置
  QuicCryptoClientConfig crypto_config_; //quic加密配置

  // Writer used to actually send packets to the wire. Must outlive |session_|.
  std::unique_ptr< QuicPacketWriter> writer_; //用于发送报文的接口

  // Session which manages streams.
  std::unique_ptr< QuicSession> session_; //QuicSession是管理quic stream的会话类

  // The network helper used to create sockets and manage the event loop.
  // Not owned by this class.
  std::unique_ptr< NetworkHelper> network_helper_; //网络事件监听的event loop机制，也就是epoll的收发事件

2.1.2 关键成员函数

bool QuicClientBase::Initialize()
//初始化，接收窗口session 15MB, stream 6MB; 并且初始化network_helper_，网络事件机制；在StartConnect or Connect之前调用
// Initializes the client to create a connection. Should be called exactly
// once before calling StartConnect or Connect. Returns true if the
// initialization succeeds, false otherwise.


bool QuicClientBase::Initialize() {
  //......
  // If an initial flow control window has not explicitly been set, then use the
  // same values that Chrome uses.
  const uint32_t kSessionMaxRecvWindowSize = 15 * 1024 * 1024;  // 15 MB
  const uint32_t kStreamMaxRecvWindowSize = 6 * 1024 * 1024;    //  6 MB

  //.....

  if (!network_helper_->CreateUDPSocketAndBind(server_address_,
                                               bind_to_address_, local_port_)) {
    return false;
  }

  initialized_ = true;
  return true;
}

bool Connect();
//连接quic server，包括同步加密密钥，和handshake
会调用StartConnect()
void QuicClientBase::StartConnect();
//连接quic server，包括同步加密密钥，和handshake;
创建QuicPacketWriter；
创建QuicSession；
创建QuicConnection(其最为QuecSession的成员对象)；


void QuicClientBase::StartConnect() {
  .......
  QuicPacketWriter* writer = network_helper_->CreateQuicPacketWriter();//创建writer接口
  ......
  session_ = CreateQuicClientSession(
      supported_versions(),
      new QuicConnection(GetNextConnectionId(), server_address(), helper(),
                         alarm_factory(), writer,
                         /* owns_writer= */ false, Perspective::IS_CLIENT,
                         can_reconnect_with_different_version
                             ? ParsedQuicVersionVector{mutual_version}
                             : supported_versions()));
  // Reset |writer()| after |session()| so that the old writer outlives the old
  // session.
  set_writer(writer);
  InitializeSession();
  set_connected_or_attempting_connect(true);
}

void QuicClientBase::InitializeSession()
// Calls session()->Initialize(). Subclasses may override this if any extra
// initialization needs to be done. Subclasses should expect that session()
// is non-null and valid.


void QuicClientBase::InitializeSession() {
  session()->Initialize();
}

quic session初始化，可能被继承覆盖，如果需要做更多工作的话。

2.2 QuicSpdyClientBase的关键信息

QuicSpdyClientBase继承QuicClientBase，和QuicClientPushPromiseIndex::Delegate， QuicSpdyStream::Visitor

2.2.1 关键成员


  // Keeps track of any data that must be resent upon a subsequent successful
  // connection, in case the client receives a stateless reject.
  std::vector< std::unique_ptr< QuicDataToResend>> data_to_resend_on_connect_;

  std::unique_ptr< ClientQuicDataToResend> push_promise_data_to_resend_;

2.2.2 关键成员函数

std::unique_ptr QuicSpdyClientBase::CreateQuicClientSession;
CreateQuicClientSession是基类QuicClientBase中的纯虚函数.
创建QuicSpdyClientSession类对象，需要输入connection对象等。


std::unique_ptr< QuicSession> QuicSpdyClientBase::CreateQuicClientSession(
    const quic::ParsedQuicVersionVector& supported_versions,
    QuicConnection* connection) {
  return QuicMakeUnique< QuicSpdyClientSession>(
      *config(), supported_versions, connection, server_id(), crypto_config(),
      &push_promise_index_);
}

* void SendRequest(const spdy::SpdyHeaderBlock& headers, QuicStringPiece body, bool fin);
发送http request的报文，headers是http的头部额外信息，body是http的body信息；
创建Quic client stream类对象，通过其发送.


void QuicSpdyClientBase::SendRequest(const SpdyHeaderBlock& headers,
                                     QuicStringPiece body,
                                     bool fin) {
  //设置重传的部分代码
  ......
  QuicSpdyClientStream* stream = CreateClientStream(); //创建QuicSpdyClientStream类对象
  if (stream == nullptr) {
    QUIC_BUG << "stream creation failed!";
    return;
  }
  stream->SendRequest(headers.Clone(), body, fin);//通过QuicSpdyClientStream的SendRequest发送信息
  //记录重传信息
  .....
}

void SendRequestAndWaitForResponse(const spdy::SpdyHeaderBlock& headers,QuicStringPiece body,bool fin);
// Sends an HTTP request and waits for response before returning. 发送http request后，通过WaitForEvents做异步等待返回！
WaitForEvents依靠基类QuicClientBase中的实现完成：network_helper_->RunEventLoop();


void QuicSpdyClientBase::SendRequestAndWaitForResponse(
    const SpdyHeaderBlock& headers,
    QuicStringPiece body,
    bool fin) {
  SendRequest(headers, body, fin);
  while (WaitForEvents()) {
  }
}

QuicSpdyClientStream* CreateClientStream();
创建一个QuicSpdyClientStream类对象


QuicSpdyClientStream* QuicSpdyClientBase::CreateClientStream() {
  if (!connected()) {
    return nullptr;
  }

  auto* stream = static_cast< QuicSpdyClientStream*>(
      client_session()->CreateOutgoingBidirectionalStream());
  if (stream) {
    stream->SetPriority(QuicStream::kDefaultPriority);
    stream->set_visitor(this);
  }
  return stream;
}

2.3 QuicClient

QuicClient继承QuicSpdyClientBase

2.3.1 关键成员

基本都是继承基类的成员变量.

2.3.1 关键成员函数

std::unique_ptr CreateQuicClientSession(const ParsedQuicVersionVector& supported_versions, QuicConnection* connection) override;
继承和覆盖基类的CreateQuicClientSession函数。
通过输入，QuicConnection和ParsedQuicVersionVector来进行创建quic session。
在基类QuicSpdyClientBase中的CreateQuicClientSession返回的对象是QuicSpdyClientSession。
在基类QuicClientBase中CreateQuicClientSession是一个纯虚函数

3. Quic Session相关代码

QuicSpdyClientSession
代码路径: net/third_party/quic/core/http
class QuicSpdyClientSession : public QuicSpdyClientSessionBase
QuicSpdyClientSessionBase
代码路径: net/third_party/quic/core/http


  class QUIC_EXPORT_PRIVATE QuicSpdyClientSessionBase
    : public QuicSpdySession,
      public QuicCryptoClientStream::ProofHandler

QuicSpdySession
代码路径: net/third_party/quic/core/http


class QUIC_EXPORT_PRIVATE QuicSpdySession
    : public QuicSession,
      public QpackEncoder::DecoderStreamErrorDelegate,
      public QpackEncoderStreamSender::Delegate,
      public QpackDecoder::EncoderStreamErrorDelegate,
      public QpackDecoderStreamSender::Delegate

QuicSession
代码路径: net/third_party/quic/core


class QUIC_EXPORT_PRIVATE QuicSession : public QuicConnectionVisitorInterface,
                                        public SessionNotifierInterface,
                                        public QuicStreamFrameDataProducer

NP515

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