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引言

HTTP3是HTTP协议的最新版本。从诞生之初，HTTP就是交换超文本文档的首选应用层协议。多年来，为了跟上互联网的发展，以及WWW上交换的内容种类增加，HTTP进行了几次重大升级，而HTTP/3就是目前的最新版本。

本文将从HTTP/3的基本概念、技术原理、应用场景和如何使用它等方面进行介绍，确保在有限的篇幅内，能让你通俗地理解它。

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HTTP协议的演进史

在万维网诞生之时，万维网仅仅是一群交换超文本文件的计算机。在计算机之间交换文件是一个简单的程序，包括请求和响应。在此基础上设计了一个简单的基于文本的协议。HTTP（超文本传输协议）应运而生。后来，它被起草成了一个标准化的IETF协议，定义在RFC 1945中，也被称为HTTP/1.0。

多年来，HTTP从HTTP/1.0发展到HTTP/1.1，再到HTTP/2。在每一次迭代中，协议都增加了新的功能，以处理大量的需求，如应用层需求、安全考虑、会话处理和媒体类型等。

尽管经历了几次修订，但HTTP的底层传输机制基本没有变化。但是，随着互联网流量的激增，在移动电话的推动下，HTTP的传输机制在保证网页浏览体验的流畅性方面变得问题重重。

HTTP/3是为了处理HTTP/2.0的传输相关问题而生的，可以在各种设备上更快地访问Web。它基于一个新的传输层协议，称为QUIC（Quick UDP Internet Protocol），在UDP之上工作。这一选择与之前版本的HTTP截然不同，之前版本都是基于TCP。TCP是一个比UDP更可靠的协议，那么为什么要在UDP之上重新设计HTTP的传输层呢？

让我们来看看在TCP上运行HTTP的局限性，并深入了解一下基于QUIC协议的HTTP/3的设计思想。

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什么是HTTP/3

当IETF正式标准化HTTP/2时，Google正在独立构建一个新的传输协议，名为gQUIC。它后来成为新互联网草案，并被命名为QUIC。gQUIC最初的实验证明，在网络条件较差的情况下，gQUIC在增强网页浏览体验方面的效果非常好。因此，gQUIC的发展势头越来越好，IETF的大多数成员赞成建立一个在QUIC上运行的HTTP新规范。这个新的倡议被称为HTTP/3，以区别于当前的HTTP/2标准。

从语法和语义上看，HTTP/3与HTTP/2相似。HTTP/3遵循相同的请求和响应消息交换顺序，其数据格式包含方法、标题、状态码和body。然而，HTTP/3的显著的偏差在于协议层在UDP之上的堆叠顺序。

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HTTP/3 是如何工作的？

HTTP/3功能的核心是围绕着底层的QUIC协议来实现的。在讨论QUIC和UDP之前，我们有必要先列出TCP的某些限制，这也是导致QUIC发展的原因。

TCP可能会间歇性地挂起数据传输

如果一个序列号较低的数据段还没有接收到，即使其他序列号较高的段已经接收到，TCP的接收机滑动窗口也不会继续处理。这将导致TCP流瞬间挂起，在更糟糕的情况下，即使所有的段中有一个没有收到，也会导致关闭连接。这个问题被称为TCP流的行头阻塞（HoL）。

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TCP不支持流级复用

虽然TCP确实允许在应用层之间建立多个逻辑连接，但它不允许在一个TCP流中复用数据包。使用HTTP/2时，浏览器只能与服务器打开一个TCP连接，并使用同一个连接来请求多个对象，如CSS、JavaScript等文件。在接收这些对象的同时，TCP会将所有对象序列化在同一个流中。因此，它不知道TCP段的对象级分区。

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TCP会产生冗余通信

TCP连接握手会有冗余的消息交换序列，即使是与已知主机建立的连接也是如此。

QUIC协议在以下设计选择的基础上，通过引入一些底层传输机制的改变，解决了这些问题。

1）选择UDP作为底层传输层协议：在TCP之上建立新的传输机制，将继承TCP的上述所有缺点。因此，UDP是一个明智的选择。此外，QUIC是在用户层构建的，所以不需要每次协议升级时进行内核修改。

2）流复用和流控：QUIC引入了连接上的多路流复用的概念。QUIC通过设计实现了单独的、针对每个流的流控，解决了整个连接的行头阻塞问题。

5）更快的握手：QUIC使用相同的TLS模块进行安全连接。然而，与TCP不同的是，QUIC的握手机制经过优化，避免了每次两个已知的对等者之间建立通信时的冗余协议交换。

通过在QUIC之上构建基于HTTP/3的应用层，您可以获得增强型传输机制的所有优势，同时保留HTTP/2的语法和语义。但是，你也必须注意到，HTTP/2不能直接与QUIC集成，因为从应用到传输的底层帧映射是不兼容的。因此，IETF的HTTP工作组建议将HTTP/3作为新的HTTP版本，并根据QUIC协议的帧格式要求修改了帧映射。

除此之外，HTTP/3还使用了一种新的HTTP头压缩机制，称为QPACK，是对HTTP/2中使用的HPACK的增强。在QPACK下，HTTP头可以在不同的QUIC流中不按顺序到达。与HTTP/2中的TCP确保数据包的按顺序传递不同，QUIC流是不按顺序传递的，在不同的流中可能包含不同的HTTP头。因此，QPACK使用查找表机制对报头进行编码和解码。

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为什么HTTP/3很重要？

TCP已经有40多年的历史了。它在1981年通过RFC 793从而标准化。多年来，它经历了多次更新，是一个非常强大的传输协议，可以支持互联网流量的增长。然而，由于设计上的原因，TCP从来就不适合处理有损无线环境中的数据传输。在互联网的早期，有线网络将网络中的每一台计算机连接起来。

现在，随着智能手机和便携式设备的数量超过台式机和笔记本电脑的数量，超过50%的互联网流量已经通过无线传输。这种趋势给整体的网络浏览体验带来了问题，其中最重要的是在无线覆盖率不足的情况下，TCP中的行头阻塞

Google的一些初步实验证明，QUIC作为Google部分热门服务的底层传输协议，极大地提高了速度和用户体验。部署QUIC作为YouTube视频的底层传输协议，导致YouTube视频流的缓冲率下降了30%，这直接影响了用户的视频观看体验。在显示谷歌搜索结果时，也有类似的改善。

网络条件较差的情况下提升非常明显，这促使谷歌更加积极地完善该协议，并最终向IETF提出标准化。

由于这些早期的试验所带来的所有改进，QUIC已经成为带领万维网走向未来的重要因素。在QUIC的支持下，HTTP从HTTP/2到HTTP/3的改头换面，朝着这个方向合理地迈出了一步。

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HTTP/3的最佳用例

HTTP/3将改善我们上网的体验，特别是在仍无法使用高速无线网络的地区。尽管HTTP/2已经解决了一部分问题，然而HTTP/3更进一步。

物联网(IoT)

HTTP可能不是物联网的首选协议，但在某些情况下，基于HTTP的通信非常适合特定的应用。HTTP/3可以解决从传感器收集数据的移动电话的无线连接损耗问题。这个问题同样适用于安装在车辆或可移动资产上的独立IoT设备。通过HTTP来访问这些设备，可以更加可靠。

大数据

全球各地的企业都在觉醒，意识到从多个部门收集数据的潜力，并将其整合成更大的信息共享API，供内部和外部受众共享。这些API也为数据的货币化铺平了道路，通过托管这些数据作为流API服务可以实现数据的货币化。随着时间的推移，这些服务会吐出海量的数据。通过HTTP/3托管的流API将使它们比HTTP/2更健壮、更有弹性。

Web VR

随着浏览器能力的提升，内容格局正在快速变化。其中一个领域就是基于网络的VR。虽然还处于起步阶段，但有很多的用例可以让VR在加强协作方面发挥关键作用。网络在促进VR互动方面占据了核心位置。VR应用需要更多的带宽来渲染虚拟场景中的复杂细节，因此迁移到HTTP/3会大有收获。

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HTTP/3的局限性

过渡到HTTP/3不仅涉及到应用层的变化，还涉及到底层传输层的变化。因此，与它的前身HTTP/2相比，HTTP/3的采用更具挑战性，因为后者只需要改变应用层。传输层承受着网络中的大量中间层审查。这些中间层，如防火墙、代理、NAT设备等会进行大量的深度数据包检查，以满足其功能需求。因此，新的传输机制的引入对IT基础设施和运维团队来说有一些影响。

然而，HTTP/3被广泛采用的另一个问题是，它是基于QUIC的，在UDP上运行。大多数的Web流量，以及IETF定义的知名服务都是在TCP之上运行的。这也是为什么长时间运行HTTP/3的UDP会话会被防火墙的默认数据包过滤策略所影响的原因。

随着IETF正在进行的标准化工作，这些问题最终都会得到解决。此外，考虑到Google在早期QUIC实验所显示的积极结果，人们对HTTP/3的支持是压倒性的，这将最终迫使中间层厂商标准化。

针对受限的IoT设备，HTTP/3由于过于繁琐从而无法采用。许多IoT应用部署的设备的外形尺寸非常小。因此，它们的RAM和CPU功率都是有限的。为了使设备在电池功率、低比特率和有损连接等限制条件下高效运行，必须执行此要求。HTTP/3在现有的UDP之上，以QUIC的形式在传输层处理，增加了HTTP/3在整个协议栈中的占用空间。这使得HTTP/3较为笨重，不适合那些IoT设备。但这种情况很少出现，而且存在专门的协议，这就避免了直接在此类设备上支持HTTP的需要。此外，还有以物联网为核心的协议，如MQTT。

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开始使用HTTP/3

IETF的HTTP工作组正致力于在2020年后期发布HTTP/3。因此它还没有被NGINX和Apache等主流web服务器正式支持。不过，有几个lib可以用来实验这个新协议，也提供了非官方的补丁。

以下是支持HTTP/3和QUIC传输lib的列表。请注意，这些实现都是基于互联网标准草案某一个版本，而这个版本很可能会被更高的版本所取代，最终的标准会在RFC中发布。

Quiche

Quiche提供了通过QUIC协议发送和接收数据包的底层编程接口。它还支持HTTP/3模块，通过其QUIC协议实现发送HTTP数据包。除此之外，它还为NGINX服务器提供了一个非官方的补丁，可以安装和托管一个能够运行HTTP/3的Web服务器。除此以外，还提供了额外的程序来支持Android和iOS移动应用上使用HTTP/3。

Aioquic

Aioquic是QUIC的python实现。它还内置HTTP/3的测试服务器和客户端库。Aioquic建立在asyncio模块之上，asyncio模块是Python的标准异步I/O框架

Neqo

Neqo 是 Mozilla 使用 Rust 实现 QUIC 和 HTTP/3。

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