QUIC协议的基本原理、源代码构建和分析

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1.QUIC的基本原理和优点

1.1 基本原理
QUIC（Quick UDP Internet Connection）是谷歌制定的一种基于UDP的低时延的互联网传输层协议。
现今传输层协议有TCP 和 UDP两种。TCP即传输控制协议，提供面向连接的运输服务。提供一种可靠的面向连接的字节流传输层服务。UDP即用户数据报协议，是一种无连接的，提供不可靠交付的运输层协议。其与TCP 协议相比，UDP更轻量级，效率高，但可靠性不如TCP协议。因此，为弥补上述两个协议的缺陷，产生了基于 UDP 协议但却可靠的QUIC传输协议，因为它将很多可靠性的验证策略从系统层转移到应用层来做，这样可以使用更适合现代流媒体传输的拥塞控制策略。

QUIC在协议栈中的位置

QUIC数据包格式

QUIC原理我主要参考学习https://zhuanlan.zhihu.com/p/405387352这篇文章

建立链接：TLS 握手，用 1 个RTT 时间把通信密钥协商好，客户端缓存了 ServerConfig，下次建连直接使用缓存数据计算通信密钥，所以之后客户端不需要经过握手就可以发送应用数据。

可靠传输：发送端通过包号（PKN）和确认应答（SACK）来确认发送的包是否被接收端收到。QUIC 的数据包号是单调递增的，用于解决TCP重传歧义问题。接收端根据 offset 字段可以对异步到达的数据包进行排序。

流量控制：类似TCP，QUIC使用滑动窗口实现流量控制。

拥塞控制：QUIC通过慢启动、拥塞避免、拥塞发生、快速恢复这四个拥塞控制算法实现拥塞控制。

多路复用：一个请求就对应一条流，QUIC通过 Stream ID 就可以判断该数据帧属于哪个请求，通过给每个请求流都分配一个独立的滑动窗口，解决了TCP 层的队头阻塞问题。

1.2 优点
连接延迟低：客户端第一次连接服务器时，QUIC只需要1个RTT的延迟就可以建立可靠安全的连接，快于需要3个RTT的TCP。而且其在再次与服务器建立连接时可以实现0个RTT的连接建立延迟。

避免了线头阻塞问题：给每个请求流都分配一个独立的滑动窗口，解决了TCP 层的队头阻塞问题。

更安全可靠：QUIC用 Packet Number 代替 TCP 的 Sequence Number，可靠性得到提高，且所有报文头部都是经过认证和加密的。实现了前向安全，即用来产生会话密钥的长期密钥泄露出去，不会泄漏以前的通讯内容。

更好的拥塞控制：QUIC支持各种各样的拥塞控制算法，在应用程序层面就能实现不同的拥塞控制算法，灵活程度非常高。

网络切换性能好：QUIC包含一个连接标识符，该标识符唯一地标识客户端与服务器之间的连接，只要源IP地址发送一个包含此ID的数据包即可重新创建连接。

2.QUIC源代码的构建和性能测评

2.1 构建
这里我采用Microsoft's MsQuic，在Ubuntu 20.04上进行实验
安装git

从https://bbs.csdn.net/forums/msquic.git处下载源代码（经常下载失败，多试几次才下好）

安装powershell

安装Ubuntu20.04版本的.NET Core

安装SDK

安装cmake（这里我原先下的是3.16版本的cmake，在后面的构建步骤中一直报错，后来参考网上教程下载3.22版本的cmake才解决问题）

启动powershell

检查依赖并安装

构建（编译）

测试（对msquic提供的测试用例进行测试，以验证编译是否正确，需要较长的时间）

测试完成

2.2 样例测试
对MsQuic的参考样例进行测试
启动powershell

生成证书密钥

运行服务端

运行客户端

服务端运行结果

客户端运行结果

3.QUIC源代码分析

对参考样例源代码的分析如下：
服务端

客户端

作者：NP479+xc