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TechBits | HTTP 3 中的 UDP

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UDP

UDP（User Datagram Protocol）是一种无连接的传输层协议，它不提供像TCP一样的可靠性和流控制，但它具有更低的开销和更快的传输速度，适合在要求实时性较高，但可靠性要求不高的场景下使用

UDP协议原理：

  1. 无连接：UDP协议是一种无连接的协议，它在发送数据之前不需要先建立连接，因此发送数据的过程非常快。UDP不像TCP那样需要先建立连接，维护连接状态，释放连接等，因此UDP可以快速发送数据，并且具有更低的开销。
  2. 不可靠：UDP协议不提供可靠性保证，也就是说，当数据包发送出去后，UDP无法保证数据包一定会被接收方接收到。如果数据包在传输过程中丢失、重复、乱序，UDP无法检测到并进行重传，因此UDP不适合在对数据可靠性要求比较高的场景中使用。
  3. 简单：UDP协议的头部非常简单，只有8个字节，包含源端口、目标端口、长度和校验和等信息。由于UDP头部非常简单，因此UDP的开销比较小，传输效率比较高。
  4. 支持广播和多播：UDP协议支持向网络中的所有设备广播数据，也支持向一组设备发送数据，即多播。这使得UDP在实现多播和广播等应用时比TCP更具优势。

UDP协议格式：

UDP头部和UDP数据

UDP头部格式如下：

源端口号目标端口号长度校验和
2 字节2 字节2 字节2 字节

其中，各字段的含义如下：

  • 源端口号和目标端口号：每个UDP数据包都包含源端口号和目标端口号。源端口号和目标端口号都是16位的整数，用于标识发送方和接收方的应用程序。
  • 长度：该字段指定了UDP数据包（包括头部和数据）的长度，以字节为单位。因为UDP数据包的长度不能超过65535个字节，所以该字段只需要占用2个字节。
  • 校验和：该字段用于校验UDP数据包是否在传输过程中发生了错误。UDP协议的校验和是可选的，如果不需要校验，则该字段的值为0。

UDP数据部分可以是任意长度的数据，最大长度为65535个字节（即2^16-1字节），没有规定数据的格式和内容。UDP数据包的总长度等于UDP头部长度加数据长度。

UDP数据包的格式简单明了，头部长度只有8个字节，因此UDP协议的数据包大小比TCP协议的数据包要小。这使得UDP协议在网络传输中比TCP协议更加高效。

端口：

  1. 公认端口

公认端口是由IANA（Internet Assigned Numbers Authority）管理的端口号，它们的范围是0到1023。公认端口是被广泛使用的端口，常用于标准的网络服务，例如HTTP（80）、FTP（21）和Telnet（23）等。

  1. 注册端口

注册端口是由IANA分配的端口号，范围从1024到49151。注册端口用于应用程序的特定服务，这些服务是由应用程序开发人员自己定义的。

  1. 动态端口

动态端口的范围是从49152到65535。动态端口是由客户端操作系统自动分配的，用于发送数据包的源端口。当客户端应用程序发送UDP数据包时，它们不需要提前知道自己的源端口，操作系统会自动分配一个未被使用的动态端口。

Java中的UDP编程：

  1. DatagramSocket类：用于建立UDP连接，并进行数据的发送和接收操作。
  2. DatagramPacket类：用于封装数据包，包括数据、目标地址和端口等信息。
import java.net.*;
​
public class UDPSender {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            DatagramSocket socket = new DatagramSocket(); // 创建DatagramSocket对象
            String message = "Hello, World!"; // 要发送的消息
            byte[] data = message.getBytes(); // 将消息转换为字节数组
​
            InetAddress address = InetAddress.getByName("127.0.0.1"); // 目标地址
            int port = 8888; // 目标端口号
​
            DatagramPacket packet = new DatagramPacket(data, data.length, address, port); // 创建DatagramPacket对象
​
            socket.send(packet); // 发送数据包
​
            byte[] buffer = new byte[1024]; // 创建缓冲区
​
            DatagramPacket receivePacket = new DatagramPacket(buffer, buffer.length); // 创建接收数据包
​
            socket.receive(receivePacket); // 接收响应数据包
​
            String response = new String(receivePacket.getData(), 0, receivePacket.getLength()); // 获取响应消息
​
            System.out.println("Response: " + response); // 输出响应消息
​
            socket.close(); // 关闭DatagramSocket对象
​
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
​

创建了一个DatagramSocket对象，然后将需要发送的消息转换为字节数组，并使用DatagramPacket对象封装需要发送的数据、目标地址和端口等信息。然后使用DatagramSocket的send()方法将数据包发送到目标地址。

创建了一个缓冲区和一个DatagramPacket对象用于接收来自目标地址的响应消息。最后，使用DatagramSocket的receive()方法接收来自目标地址的响应消息，并使用DatagramPacket的getData()方法获取响应消息，然后输出响应消息。最后，关闭了DatagramSocket对象

HTTP 3

HTTP/3是一种基于UDP协议的新一代Web协议，它采用了QUIC协议作为传输层协议。QUIC（Quick UDP Internet Connections）是一种基于UDP协议的快速可靠传输协议。

  1. 可靠传输：尽管UDP本身是一种不可靠的协议，但是QUIC协议在其上面增加了可靠性保证机制，确保了数据的可靠传输。因此，在HTTP/3中，UDP协议作为QUIC协议的底层传输协议，提供了可靠的数据传输保障。
  2. 快速连接建立：QUIC协议使用了0-RTT技术，可以在客户端和服务器之间建立快速连接，避免了TCP连接建立时的握手延迟。这对于HTTP/3的性能提升非常重要，而UDP协议正是QUIC协议的底层传输协议，支持了这一特性。
  3. 低延迟和高带宽利用率：UDP协议相比TCP协议具有更低的延迟和更好的带宽利用率。在HTTP/3中，采用了基于UDP的QUIC协议作为传输层协议，可以大幅度降低网络延迟，提升带宽利用率，进一步提升了HTTP/3的性能。
  4. 兼容性：HTTP/3在设计上兼容了HTTP/2，并且在HTTP/2的基础上做出了一些改进。采用UDP协议作为QUIC协议的底层传输协议，可以保证HTTP/3的兼容性，同时具有更好的性能表现。

QUIC协议核心内容：

QUIC的设计灵感来自于TCP+TLS+HTTP/2的组合，但它将所有这些协议合并为一个单一的协议，从而避免了每个协议之间的不必要的交互。QUIC提供了以下特性：

  1. 加密：所有的QUIC数据都加密传输，防止中间人攻击和数据窃取。

QUIC的加密采用了TLS 1.3协议的加密机制，包括前向安全、完全性保护、抗重放攻击等特性。在QUIC中，每个连接都有一个唯一的连接ID和一个加密密钥。当客户端第一次发送数据包时，它会发送一个未加密的初始数据包，其中包含了一个随机数和客户端的支持的加密套件列表。服务器收到这个数据包后，会根据客户端的支持列表选择一个加密套件，然后发送一个包含服务器的证书、服务器的随机数和加密套件的选择的数据包。

旦双方协商好了加密套件，就会开始进行密钥交换。QUIC采用了一种称为“0-RTT”的特性，可以在建立连接时就发送数据，而无需等待完整的握手过程完成。具体地，客户端可以在未建立连接时就把数据发送给服务器，同时使用一个预共享密钥进行加密，这个预共享密钥是之前已经建立的连接使用的密钥。如果服务器能够正确地解密数据包，并且认为这个连接是合法的，那么它就会发送一个确认数据包，然后这个连接就正式建立了。

一旦连接建立完成，所有的数据都会进行加密传输。QUIC采用的是AEAD（Authenticated Encryption with Associated Data）模式的加密算法，可以同时提供数据完整性保护和机密性保护。QUIC还支持0-RTT数据传输，这意味着客户端可以在建立连接时就发送数据，而无需等待完整的握手过程完成。这可以进一步提高传输性能，但也会带来安全风险，因此需要谨慎使用。

  1. 多路复用：QUIC支持在一个连接上同时传输多个请求和响应，从而避免了TCP的头阻塞问题。

在传统的HTTP/1.1协议中，每个HTTP请求都需要建立一个独立的TCP连接，这会导致TCP头阻塞问题，即每个请求必须等待前面的请求完成，才能继续传输，导致网络资源的低效利用和传输延迟。

而HTTP/2协议引入了多路复用的机制，可以在一个TCP连接上同时传输多个HTTP请求和响应，从而避免了TCP头阻塞问题，提高了网络资源的利用率和传输性能。但HTTP/2仍然使用TCP协议作为传输层协议，会受到TCP头阻塞和队头阻塞的影响。

而QUIC协议则将多路复用和UDP协议结合起来，可以更好地解决TCP头阻塞和队头阻塞问题。QUIC通过为每个数据包添加数据流标识符来支持多路复用。每个数据流都是一个独立的逻辑通道，可以承载一个或多个HTTP请求和响应。

在QUIC中，每个数据流都有一个唯一的标识符，用于标识这个数据流所承载的请求和响应。客户端可以在一个连接上同时打开多个数据流，并且每个数据流都可以独立地传输数据。服务器可以通过标识符来识别每个数据流，并将响应数据发送到对应的数据流上。

  1. 0-RTT：QUIC支持0-RTT连接建立，可以让客户端在不验证服务器身份的情况下建立连接，并立即发送数据，从而进一步提高传输性能。

0-RTT（Zero Round-Trip Time）是QUIC协议的一种特性，可以在建立连接时就发送数据，而无需等待完整的握手过程完成。具体来说，客户端可以在未建立连接时就把数据发送给服务器，同时使用一个预共享密钥进行加密，这个预共享密钥是之前已经建立的连接使用的密钥。

在使用0-RTT特性时，客户端发送的数据会带有一个“0-RTT”标记，服务器会优先处理这些数据，并尽可能快地发送响应。这样可以进一步缩短请求和响应的时间，提高传输性能。

但是0-RTT也存在一些安全风险。因为这些数据是在建立连接之前发送的，所以服务器无法对客户端进行身份验证。如果攻击者拦截了这些数据，并冒充客户端向服务器发送了一些请求，服务器就会误认为这些请求是合法的，从而造成安全漏洞。

因此，使用0-RTT时需要注意安全问题，建议只在对安全性要求不高的场景下使用，或者采用其他安全机制来加强安全保障。同时，服务器也可以通过配置来限制客户端使用0-RTT的次数和发送的数据量，以降低安全风险。

  1. 拥塞控制：QUIC实现了一种基于最小RTT（Round-Trip Time）的拥塞控制算法，可以快速适应网络环境的变化。

  2. 快速重传：QUIC支持快速重传，当数据包丢失时可以快速重传，而不必等待超时重传。

HTTP 3 的生命周期

ClientServer发送HTTP/3请求建立QUIC连接发送QUIC连接请求发送QUIC连接响应发送加密密钥请求发送加密密钥响应发送HTTP/3请求数据 (0-RTT)发送HTTP/3响应数据 (0-RTT)(加密)发送HTTP/3请求数据发送HTTP/3响应数据关闭HTTP/3连接关闭QUIC连接ClientServer

客户端首先向服务器发送HTTP/3请求，然后使用QUIC协议在UDP协议上建立连接。接下来，客户端和服务器之间进行握手，包括QUIC连接请求和响应，以及加密密钥请求和响应。一旦连接建立并且双方都准备好，客户端就会发送HTTP/3请求数据，服务器会响应HTTP/3响应数据。最后，当连接不再需要时，客户端和服务器都会关闭连接，结束通信

支持的操作系统和浏览器

HTTP/3是一项相对较新的技术，它需要较新版本的操作系统和浏览器才能支持。目前，只有最新版本的操作系统和浏览器才支持HTTP/3，例如：

  • Windows 10和Windows Server 2022（使用IIS或Nginx 服务器）
  • Linux（使用Nginx或Caddy服务器）
  • macOS Big Sur或更高版本（使用Safari浏览器）
  • Google Chrome 94或更高版本
  • Mozilla Firefox 91或更高版本