通过 HTTP/3 和 QUIC 加快联网速度

通过 HTTP/3 和 QUIC 加快联网速度

网络技术迅速迭代，下一个 HTTP 的主要版本已经出现了。了解 HTTP/3 如何降低延迟并提升 app 的可靠性，弄清其底层传输协议 QUIC 如何利用新的传输功能和多流连接组，在您自己的自定义协议中实现创新性的功能。

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♪低音音乐声♪ ♪ 瑞保罗：大家好我是瑞今天我和我的同事艾瑞克将讨论如何使用HTTP/3和QUIC 这是iOS 15和macOS Monterey中提供的两种新协议来加速app的网络连接我们将从探索HTTP的发展以及HTTP/3如何提高性能开始我们还会讨论QUIC HTTP/3背后的新传输协议之后我们将解释如何在 URLSession中使用HTTP/3 以及如何配置HTTP服务器以支持HTTP/3 最后我们将深入研究使用QUIC的API 以及如何在QUIC上实现自定义网络协议让我们从HTTP的发展开始假设我们需要获取一个资源我们建立一个连接发送请求等待服务器处理它然后接收响应现在如果我们想在第一个资源完成之前获取另一个资源我们又要经历同样的过程建立连接、发送请求等待处理、接收响应这次用深绿色表示这是第三个资源的另一个示范以橙色表示如图所示连接设置花费了大量时间如果我们重用单个HTTP/1连接会怎样？我们保存了连接建立时间但是只有在前一个响应结束后才能发送请求这称为队头阻塞过去 HTTP实现使用许多并行连接来克服这个问题并行HTTP连接的数量甚至可以由app配置然而这导致客户端和服务器的网络行为效率低下 HTTP/2通过在单个连接上复用多个流来解决队头阻塞问题请求会提前发送来自不同流的数据可以交叉发送这允许更有效地使用单个TCP连接因为空闲等待时间大大减少使用HTTP/3 连接建立速度要快得多所以请求可以更快地发出然而这并不是HTTP/3的唯一好处 HTTP/3流是独立的这与HTTP/2不同在HTTP/2中所有流共享一个TCP连接在大多数网络上数据包会丢失这是无线网络上的正常事件也是检测网络容量的一个自然部分在HTTP/2中丢包可能会影响许多流因为所有HTTP/2流共享一个TCP连接在HTTP/3中只有相应的HTTP流受到影响属于其他流的数据可以提前交付我们刚刚展示了HTTP/3 如何更快地建立连接以及它如何更好地处理丢包这些改进是由底层传输协议实现的：QUIC QUIC是一种新的可靠传输协议已被因特网工程任务组标准化它基于TCP的相同概念但提供端到端加密多路复用流和身份验证 QUIC的安全性建立在著名的TLS1.3协议之上 QUIC的主要好处是提高了性能让我们来探索 QUIC是如何实现这一点的 QUIC依靠TLS1.3 来执行安全握手不需要熟悉的TCP三向交握将握手时间减少到单次往返多路复用流是QUIC的一个关键概念因此它不会受到队头阻塞的影响 QUIC端点能够将有关它收到的数据包的更复杂信息传递给另一个端点并且不受TCP限制的影响因此QUIC连接可以改进丢失恢复该协议还支持连接迁移允许连接在不同网络接口之间无缝移动而无需重新建立会话例如在蜂窝网络和Wi-Fi之间如果你想了解更多关于网络延迟的信息请观看《减少app的网络延迟》课程让我们来谈谈如何在你的app中使用HTTP/3 如果你使用URLSession 你不需更改你的app 因为iOS 15 和macOS Monterey 默认启用HTTP/3 一旦在你的服务器上启用了HTTP/3 就万事具备了即将推出的HTTP/3 RFC版本和早期的HTTP/3草案版本29 都被支持那么如何确保你的app 使用HTTP/3呢？让我们用仪器找出答案吧！在Xcode 13中我们在网络分析模板中引入了一种新工具来检查HTTP流量它直接使用URLSession 因此不需要设置我们可以使用仪器来发现我们的app是否使用HTTP/3 还是更早的HTTP版本我们将启动一个iOS app 该app在启动时会获取一组狗图片然后我们将检查HTTP标头以了解以找出服务器是如何发布HTTP/3的让我们继续并选择网络分析模板
让我们点击左上角的记录将显示一个提示表明记录HTTP流量的隐私含意在我们同意后仪器将开始记录HTTP事务
接下来仪器将显示一个包含每个app 和每个域的所有HTTP事务的图我们现在已经捕获了我们需要的所有数据我们可以点击位于左上角的暂停按钮
选择我们要用的定义域我们可以通过在HTTP事务上单击Option键然后选择域来做到这一点
我们需要配置仪器来显示HTTP事务的详细信息要实现这一点请确保左侧的选单显示 HTTP事务
让我们选择第一个请求通过向右滚动我们可以找到标识此事务 HTTP版本列它标示了该事务使用的HTTP版本我们仍在使用HTTP/2 但是为什么呢？在右侧我们可以找到包含响应标头的扩展详细信息视图这就给了我们答案服务器使用HTTP替代服务来宣布对HTTP/3的支持
URLSession不会使用HTTP/3 除非它被发布在本例中 HTTP/3通过 Alt-Svc HTTP标头进行发布对于HTTP服务器来说使用此标头来宣布对HTTP/3的支持是很常见的这些信息将用于将来的连接我们称之为“服务发现” 现在让我们再次录制app
一旦仪器重新启动app 同样的一组HTTP事务就会发生我们现在可以暂停仪器
让我们再次放大并检查第一个事务因为我们记得服务器支持HTTP/3 所以我们现在使用HTTP/3 HTTP/3服务发现对你的app是透明的 HTTP/3服务器支持的发现有两种方式推荐的方法是将DNS服务器配置为通过HTTPS资源记录发布对HTTP/3的支持只需配置应用层协议用h3字符串发布HTTP/3 你也应该配置你的服务器以添加一个新的标头使用替代服务来发布HTTP/3 你的服务器应该发送一个Alt-Svc标头来发布HTTP/3 这包括端口号和服务的max-age 以秒为单位 DNS记录的优势在于由于信息在DNS中一个HTTP/3连接可以在你的app第一次尝试联系你的服务器时建立当你知道你的服务器支持HTTP/3 并且你想加快发现过程时你可以使用假设HTTP3Capable属性这允许HTTP堆栈假定你有一个HTTP/3服务器但不保证会使用HTTP/3 网络可能仍会阻塞HTTP/3 或者你的服务器可能实际上并不支持HTTP/3 在这种情况下我们将回退到HTTP/2 HTTP允许客户端为每个资源指定优先级由于资源通常是相关的所以优先级允许服务器根据客户端的需要先发送一些资源例如可以通过对影响网页呈现最多的资源进行优先级排序来改善使用者的网页浏览体验在HTTP/2中引入了优先级方案但由于其复杂性它通常不被重视因此旧的优先级模型从HTTP/3中删除了 HTTP/3堆栈使用了一个新的更简单的模型它依赖于HTTP标头在此模型中优先级由紧急参数零到七和一个可选的增量交付参数指定的使用URLSession时支持优先级的API保持不变你仍然可以使用priority属性指定HTTP优先级该属性使用紧迫性与服务器通信你可以使用 prefersIncrementalDelivery属性启用增量交付默认优先级为三 URLSession根据是否使用了方便的API 如异步数据方法来推断增量交付当你的app下载的内容在整个资源被下载后才能被处理时你应该把这个属性设置为false 还支持在发送请求后动态更改资源的优先级例如你可以以较低的优先级预取照片然后当用户导航到 app的该部分时提高该优先级接下来我的同事艾瑞克将解释如何更改自定义网络协议以采用QUIC 谢谢你艾瑞克金尼尔：谢谢瑞！正如我们之前讨论的 HTTP/3建立在QUIC之上 QUIC提供多路复用流类似于HTTP/2中的流但没有共享单个TCP连接作为底层传输所带来的问题 QUIC传输连接或QUIC隧道可为多个单向或双向QUIC流复用数据流可以由任一端点创建可以同时发送与其他流交错的数据并且具有类似与TCP提供的传统流类似的状态最重要的是 QUIC内置了TLS 1.3安全性能够更好地响应不断变化的网络条件这些功能不仅适用于HTTP 如果你的app正在交换基于非请求/响应的数据可以从共享底层传输上下文的多路复用流中受益或者正在实现任何其他自定义协议例如点对点通信或RPC调用考虑使用你的app使用QUIC传输在iOS 15和macOS Monterey中 NWProtocolQUIC加入了 Network.framework 提供的其他内置协议创建使用QUIC的连接是非常熟悉的只需提供你的端点和新可用的QUIC参数这些参数指定ALPN字符串与服务器协商的应用层协议设置一个状态更新处理程序就像往常一样以便能够在连接进展和准备就绪时做出响应最后在希望用于状态更新和其他回调的分派队列上启动连接现在你已经建立了一个QUIC流你可以像任何其他 NWConnection一样发送和接收数据使用send函数提供希望发送到远程端点的数据并在完成后安排后续发送使用receive来处理传入的数据并在接受完成时安排后续接收去年我们在 Network.framework中引入了 ConnectionGroup对象以便更容易地处理多个连接关联或分组的情况在底层传输上下文或隧道上复用的 QUIC流基于该关系在逻辑上分组并且可以与新的组类型一起使用： NWMultiplexGroup 连接组遵循与其他 Network.framework对象类似的生命周期并允许你推断QUIC流共享的底层QUIC隧道的状态它还允许你从特定的QUIC隧道创建新的传出流以及接收由远程端点发起的新传入流要为多路复用协议创建连接组请使用多路复用组描述符在本例中我们将在端口443上创建一个到example.com的组描述符接下来我们使用该描述符和QUIC参数创建一个NWConnectionGroup 并在创建它们时提供我们的ALPN字符串就像NWConnection一样我们设置了一个状态更新处理程序但这一次它跟踪底层QUIC隧道的状态而不是单个流的状态最后启动连接组提供回调队列可以通过从组初始化 NWConnection 或通过对组调用提取函数来创建新的传出流远程端点发起的传入流可以通过在组上设置新的连接处理程序来处理可以像往常一样使用状态处理程序设置这些连接这次是跟踪流状态并从用于回调的队列开始就像其他协议一样你可以在创建参数对象时使用QUIC.Options进行配置对于QUIC 你可以配置QUIC规范中列出的传输参数也可以自定义从连接组创建单个流时的属性例如如果你想创建一个新的单向流如果你使用NWListener 在你的app中执行服务器它也会被增强允许你通过 newConnectionGroupHandler 接收新的传入QUIC隧道每当有人建立到服务器的新QUIC隧道时你的newConnectionGroupHandler 就会被调用在该处理程序中你可以像往常一样设置组来接收状态更新这也是设置我们刚刚讨论的新连接处理程序的好地方如果你想接收在此隧道上打开的后续流请使用用于回调的队列启动组这样就大功告成了最后你可以使用 NWProtocolMetadata 来访问有关流的信息例如你可能想要检查新创建流的流ID 当你完成了一个流如果你的自定义协议定义了 applicationError代码你可以使用元数据在你取消流之前将任何错误传达给远程端点因此我们刚刚探索了如何使用新的NWMultiplexGroup类型来创建和管理QUIC隧道并从该组中为每个QUIC流创建单独的 NWConnection 我们可以使用NWListener 来监听传入的隧道并使用产生的连接组来接收新的传入流在这些流上我们可以像在任何其他连接上一样发送和接收数据我们可以使用QUIC协议选项来指定传输参数和配置流同时使用QUIC协议元数据来检查流并将 QUIC特定信息传达给远程端点现在我们已经通过采用QUIC 改进了我们app中的网络我们如何判断它是否有效？我们可以在除错时启动我们的app 使用一个新的环境变量来输出qlog文件 qlog是IETF中提出的一种新的标准化日志记录格与传统的数据包捕获相比它允许你导出关于QUIC 连接行为方式的更丰富的信息执行测试后你可以使用 Xcode中的设备窗口下载带有qlog文件的 app容器以进行分析并且有许多不同的开源可视化方法可以更轻松地对QUIC连接的行为进行内省今天我们研究了HTTP/3 为你的HTTP流量提供的改进在客户端对于使用现代网络API的使用者来说因此在服务器上启用HTTP/3 以利用其提高的性能和适应不断变化的网络条件的弹性如果你正在使用自定义的非HTTP网络协议请使用Network.framework中内置的新多路复用协议支持来创建与NWConnectionGroup的 QUIC连接无论你使用哪种协议你都可以使用新的除错工具来可视化下一代网络协议的惊人优点谢谢收看 ♪

// Create a connection using QUIC
let connection = NWConnection(host: "example.com", port: 443, using: .quic(alpn: ["myproto"]))

// Set the state update handler to be notified when the connection is ready
connection.stateUpdateHandler = { newState in
    switch newState {
    case .ready:
        print("Connected using QUIC!")
    default:
        break
    }
}

// Start the connection with callback queue
connection.start(queue: queue)

15:08 - Establish a tunnel with NWMultiplexGroup

// Establish a tunnel with NWMultiplexGroup

// Create a group
let descriptor = NWMultiplexGroup(to: .hostPort(host: "example.com", port: 443))
let group = NWConnectionGroup(with: descriptor, using: .quic(alpn: ["myproto"]))

// Set the state update handler to be notified when the group is ready
group.stateUpdateHandler = { newState in
    switch newState {
    case .ready:
        print("Connected using QUIC!")
    default:
        break
    }
}

// Start the group with callback queue
group.start(queue: queue)

15:45 - Manage streams with NWConnectionGroup

// Manage streams with NWConnectionGroup

// Create a new outgoing stream
let connection = NWConnection(from: group)

// Receive new incoming streams initiated by the remote endpoint
group.newConnectionHandler = { newConnection in

    // Set state update handler on incoming stream
    newConnection.stateUpdateHandler = { newState in
        // Handle stream states
    }

    // Start the incoming stream
    newConnection.start(queue: queue)

}

16:43 - Receive incoming QUIC tunnels from NWListener

// Receive incoming QUIC tunnels from NWListener

// Set the new connection group handler
listener.newConnectionGroupHandler = { group in

    group.stateUpdateHandler = { newState in
        // Handle tunnel states
    }

    group.newConnectionHandler = { stream in
        // Set up and start new incoming streams
    }

    group.start(queue: queue)

}

17:22 - Access QUIC metadata

// Access QUIC metadata to learn about and modify streams

// Find the stream ID of a particular QUIC stream
if let metadata = connection.metadata(definition: NWProtocolQUIC.definition)
                             as? NWProtocolQUIC.Metadata {
    print("QUIC Stream ID is \(metadata.streamIdentifier)")

    // Some time later...

    // Set the application error, if appropriate, before cancelling the stream
    metadata.applicationError = 0x100
    connection.cancel()

}

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