為什么我們需要HTTP/3呢？一個重要原因是解決了“頭阻塞”問題。

HTTP/2中的頭阻塞問題

HTTP/2通過幀和流在HTTP級別解決了頭阻塞問題。但是，在TCP級別問題仍然存在。

在接收來自上層的幀后，TCP會將它們分成段。

如果一切順利，所有段將到達另一端。

然而，互聯網可能不穩定。在這個過程中，一些段可能會丟失。

TCP有一個保證傳遞的功能。它將接收到的段放入緩沖區，并等待丟失的段重新傳輸，從而導致頭阻塞。

為了解決這個問題，我們需要找到TCP的替代品——QUIC和UDP。

更新的協議棧

從協議棧中可以看到一個重大的變化：TCP被UDP取代。

不同于TCP，UDP不保證傳遞，段之間沒有依賴關系。這意味著不再會有頭阻塞問題。

此外，由于UDP是一種無連接的協議，不需要握手。它運行速度比TCP更快。

在UDP的基礎上，引入了一個新協議QUIC。它繼承了TCP的一些優點，包括連接管理和流控制。此外，QUIC實現了一些功能來保證數據傳遞，以彌補UDP的不足。

另一個變化是在QUIC內部實現了TLS，同時繼承了其所有安全特性。由于TLS 1.3已經投入生產，QUIC從這個版本開始。

最后但同樣重要的是，QPACK取代了HPACK，進一步提高了頭部壓縮算法的性能。靜態表中的條目從61增加到98，并且現在是0索引的。

QUIC數據包、幀和流

QUIC由數據包和幀組成。一個數據包由多個幀組成。

以下是QUIC數據包的結構。

在數據包頭中，QUIC使用連接ID來標記其目標和源。

瀏覽器和服務器可以選擇它們的ID。有了它們，我們可以將連接從IP和端口中解耦，實現平穩的連接遷移。

以下情況可能每天都會發生在您身上。

當你離開家時，你的手機會從WiFi切換到4G（很快是5G）。由于IP變化，TCP會重新連接。在重新連接到互聯網之前，您將在一瞬間失去連接。

使用QUIC，連接ID保持不變，因此連接在概念上保持不變。盡管IP發生變化，但連接被重用，沒有重新連接的成本。

接下來，讓我們看一個QUIC數據包的示例。

QUIC IETF

QUIC連接信息

[數據包長度：1350]

1... .... = 頭部形式：長頭部（1）

.1.. .... = 固定位：True

..00 .... = 數據包類型：初始（0）

.... 00.. = 保留：0

.... ..00 = 包號長度：1字節（0）

版本：draft-29（0xff00001d）

目標連接ID長度：8

目標連接ID：45fb5955dfaa8914

源連接ID長度：0

令牌長度：0

長度：1332

數據包號碼：1

負載：5a99e5b29413627619ca3b5add4cf8b6ce348355b1c1a2be9874c7961e7996a24aeec860…

TLSv1.3記錄層：握手協議：客戶端Hello

填充長度：997

從公共標志1100 0000中，我們可以知道它是一個長頭部，其類型是初始的。接下來是QUIC版本：draft-29，然后是目標連接ID及其長度。

接下來，讓我們看QUIC幀結構。

類似于HTTP/2幀，QUIC中有各種幀類型。

例如，STREAM幀用于攜帶流，而ACK幀用于控制。

標題中的字段使用可變長度編碼，最多可達8字節。

流標識符可以達到2^62，其中兩位保留為標記符。

• 最不顯著的位標記發送方：0表示客戶端，1表示服務器。
• 第二位最不顯著的位標記流的方向：0表示雙向流，1表示單向流。

以下是幀的示例。

• TLSv1.3記錄層：握手協議：客戶端Hello
• 幀類型：CRYPTO（0x0000000000000006）
• 偏移：0
• 長度：314
• 加密數據
• 握手協議：客戶端Hello
• 幀類型是CRYPTO，這是為握手設計的類型，負載是加密數據。

下面是另一個示例，服務器Hello。

• TLSv1.3記錄層：握手協議：服務器Hello
• 幀類型：CRYPTO（0x0000000000000006）
• 偏移：0
• 長度：90
• 加密數據
• 握手協議：服務器Hello
• 握手類型：服務器Hello（2）
• 長度：86
• 版本：TLS 1.2（0x0303）
• 隨機數：0f58bdbd934450c7aa98242121447bef2fe0733aa5fc3beffab6513c7177f9a4
• 會話ID長度：0
• 密碼套件：TLS_AES_128_GCM_SHA256（0x1301）
• 壓縮方法：null（0）
• 擴展長度：46
• 擴展：key_share（len=36）
• 擴展：supported_versions（len=2）

除了QUIC幀的新字段外，其余的字段在TLS 1.3握手中都有提到。

HTTP/3協議和幀

QUIC可以完成很多工作，減輕了HTTP/3的工作負擔。

例如，與HTTP/2不同，HTTP/3利用QUIC流，而不是自己定義和控制流。

在HTTP/2中管理的大多數幀類型都移到了QUIC，如RST_STREAM幀和WINDOW_UPDATE幀。

由于這一點，HTTP/3的幀結構簡化為僅有2個字段——幀類型和長度。

有一點值得一提，HTTP/3沒有像HTTPS的443端口一樣的指定端口。

瀏覽器首先使用HTTP/2與服務器建立連接以發現服務。服務器會響應帶有Alt-Svc頭部的請求，其中包括HTTP/3的端口，例如Alt-Svc: h3-29=":443"。有了這個信息，瀏覽器異步地連接到該端口。一旦連接建立，將使用HTTP/3進行未來的通信。