关于quic:QUIC-协议特性应用场景及其对物联网车联网的影响

什么是 QUIC 协定

QUIC（Quick UDP Internet Connections）是由谷歌公司开发的一种基于用户数据报协定（UDP）的传输层协定，旨在进步网络连接的速度和可靠性，以取代以后互联网基础设施中宽泛应用的传输控制协议（TCP）。

QUIC 通过加密和多路复用技术来提供更高的安全性和更快的数据传输。它反对在单个连贯上并行发送多个数据流，从而升高提早并进步吞吐量。QUIC 还具备拥塞管制和流量管制等机制，以应答网络拥塞并保障数据传输的稳定性。

国内互联网工程工作组（IETF）已实现对 QUIC 的标准化，并且支流的 Web 浏览器和服务器正在逐渐采纳它。与 TCP 相比，QUIC 在高提早和不稳固的网络环境中，如挪动网络，能够显著晋升网页加载速度并缩小连贯中断，使得网络体验更加晦涩。

QUIC 协定的根本个性

互相独立的逻辑流

互相独立的逻辑流是 QUIC 的外围个性之一。它容许在单个连贯上并行传输多个数据流，并且每个流能够独立地解决。相比之下，TCP 只反对单数据流，须要依照发送程序接管和确认每个报文。通过多路复用，应用程序能够更高效地发送和接收数据，并更好地利用网络带宽等资源。

统一安全性

QUIC 的另一个重要个性是它提供了端到端的平安爱护。所有通过 QUIC 发送的数据都是默认加密的，并且不反对明文通信。这有助于避免数据被窃听和其余模式的攻打。QUIC 应用传输层平安协定（TLS）来建设和保护平安连贯和端到端加密。

低提早

QUIC 协定的设计目标是缩小建设连贯所需的提早，以便在端点之间疾速地发送和接收数据。对于挪动网络这种高提早的网络环境来说，这一点尤为重要。为了实现这个指标，QUIC 最小化了建设连贯所需的往返次数，并且采纳更小的报文来发送数据。传统的互联网协议通常存在提早问题，例如美欧之间的往返工夫有时可达 300 或 400 毫秒。

可靠性

QUIC 基于 UDP 但可提供牢靠传输能力。相似于 TCP，它是一种面向连贯的传输协定。QUIC 协定在数据传输过程中具备报文失落复原和重传性能，这能够确保数据的完整性和准确性。此外，QUIC 能够保障数据包依照发送程序达到，防止因数据包乱序导致的数据谬误。

打消 HOL 阻塞

QUIC 通过反对多个数据流来解决 HOL 阻塞问题。这使得来自不同利用的音讯能够独立地传递，防止了因为期待其余利用而可能产生的提早。

QUIC 协定常见的利用场景

随着 HTTP/3 和 QUIC 越来越风行并被宽泛采纳，涌现出多种多样的利用场景。这些利用场景笼罩了直播、视频、点播、下载、Web 减速等畛域，其中最具后劲的利用场景有：

1. 实时 Web 和挪动利用：这些利用（如集成了语音和视频通信性能的 Web 和挪动利用）须要低提早和牢靠的数据传输。QUIC 利用互相独立的数据流和拥塞管制机制，使其成为这些利用的现实抉择，因为它能够疾速高效地发送和接收数据。在 QUIC 的多路复用模式下，同一连贯内不同数据流之间的数据传输互不烦扰。
2. 与物联网设施通信：物联网设施通常应用 TCP 和 MQTT 等协定进行通信。然而，这些协定在受限的网络环境中可能存在高提早和丢包等问题。相比之下，专为高提早和丢包的网络环境而设计的 QUIC 能够提供更牢靠和高效的代替计划。QUIC 能够实现靠近零的往返工夫（RTT），这对于进步网络性能和用户体验至关重要。
3. 车联网和网联汽车：QUIC 能够极大地促成车联网生态系统的倒退。这些零碎须要实时的数据交换来提供诸如交通管理、车辆跟踪和平安性能等服务。QUIC 具备低提早、多路复用的个性，以及对数据包失落和重排序的解决能力，能够确保车辆和基础设施组件之间牢靠而高效的通信。此外，QUIC 应用 TLS 加密爱护敏感车辆数据，提供了更强的平安保障。
4. 云计算：云计算是指通过互联网提供计算资源的服务。应用 QUIC 协定能够带来多方面的益处，例如低提早和端到端加密，这能够晋升用户体验、加强系统安全。
5. 领取和电子商务利用：这些利用须要安全可靠的数据传输。QUIC 通过 TLS 加密和牢靠的 HTTP3 数据流，使其成为这些利用的现实抉择，有助于保障数据安全残缺地传输。从终端用户的角度来看，QUIC 协定通过保障更快、更顺畅的交易，优化了用户体验。

MQTT 与 MQTT over QUIC

MQTT 是一种实用于低带宽、高提早或不稳固网络环境的轻量级音讯协定。它运行在应用层，次要用于机器对机器（M2M）通信和物联网场景。MQTT 采纳公布 / 订阅模型，设施将音讯发送到 Broker（即公布），其余设施依据主题接管这些音讯（即订阅）。

对于 Web 利用而言，QUIC 专一于进步其性能和安全性，而 MQTT 则专为资源受限的网络环境提供轻量级和高效的消息传递解决方案。基于 QUIC 的 MQTT 能够显著进步性能并升高提早，同时无需额定的 TLS 开销。因为大多数 QUIC 栈实现是在用户空间实现的，因而能够依据应用层的要求，自定义 QUIC 的数据传输，以适应不同的网络环境。

MQTT over QUIC 与 MQTT over TCP/TLS 比照

MQTT over TCP/TLS 指的是应用 TCP 作为传输层的 MQTT 协定。TCP 是一种牢靠的、面向连贯的协定，可确保数据包在设施之间的正确传递。TLS 是一种加密协议，通过加密两个端点之间传输的数据，为网络提供平安通信。通常状况下，TLS 作为 TCP 的下层协定应用，它应用 TCP 在两个端点之间建设和保护连贯，并加密在该连贯上传输的数据。

MQTT over QUIC 相比 MQTT over TCP/TLS 具备显著的劣势：

连贯建设：

• MQTT over TCP/TLS：MQTT over TCP/TLS 遵循 TLS1.2 标准，须要在 TCP 层和 TLS 层各进行一次握手。这意味着在应用层开始替换数据之前，须要进行两到三次往返通信。
• MQTT over QUIC：MQTT over QUIC 遵循 TLS1.3 标准，能够利用零或一次往返（0-RTT 或 1-RTT）握手疾速建设连贯，升高连贯建设时的提早。

提早和性能：

• MQTT over TCP/TLS：提供牢靠的数据传输，但 TCP 的 HOL 阻塞问题和拥塞管制机制可能导致提早减少和性能升高，尤其是在不牢靠的网络环境下。
• MQTT over QUIC：将 TCP 的可靠性与 UDP 的低提早个性相结合。QUIC 的多路复用个性有助于最小化 HOL 阻塞问题，从而在有丢包或高提早的网络环境下进步性能。

安全性：

• MQTT over TCP/TLS：为了保障 MQTT 通信的平安，通常将其与 TLS 联合应用，TLS 提供了加密和认证性能。然而，这须要在连贯建设和数据传输过程中减少额定的开销。
• MQTT over QUIC：QUIC 应用 TLS1.3 实现了内置加密，提供了平安的通信，无需额定的设置或开销。

客户端的连贯迁徙：

• MQTT over TCP/TLS：如果 MQTT 客户端或服务器更换了 IP 地址或网络，那么现有的 TCP 连贯就必须断开并从新建设，这会减少利用对异样解决的难度，容易呈现各种因解决异样导致的 Bug。
• MQTT over QUIC：反对连贯平滑迁徙，容许客户端或服务器在不影响正在进行的通信的状况下更换 IP 地址、端口或网络。

利用和反对：

• MQTT over TCP/TLS：曾经失去了宽泛的利用和反对，很多平台和编程语言都有 MQTT broker、客户端和库的实现。
• MQTT over QUIC：到目前为止，因为 QUIC 依然是一种新兴的协定，因而 MQTT over QUIC 还没有失去宽泛的利用和反对。

MQTT over QUIC 在车联网中的利用场景

在车联网场景下，MQTT over QUIC 能够带来很多劣势，因为低提早、牢靠和平安的通信对各种利用来说都十分重要。因为 QUIC 联合了 TCP 和 UDP 的长处，并且提供了内置的加密，因而它能够显著进步基于 MQTT 的车联网利用的性能和安全性。

在车联网中应用 MQTT over QUIC 的场景包含：

• 车对基础设施（V2I）通信：QUIC 的低提早和牢靠的数据传输能够进步车辆与基础设施组件（如交通信号灯、免费零碎或智能停车零碎等）之间的通信效率。
• 车对车（V2V）通信：疾速和平安的数据交换对于诸如碰撞防止、协同自适应巡航管制和编队等利用十分要害。MQTT over QUIC 能够为这些利用提供必要的速度和平安保障。
• 车联网（V2X）通信：V2X 通信将车辆、基础设施和其余路线用户组合起来，旨在进步路线平安和交通效率。MQTT over QUIC 能够提供牢靠的通信，并缩小提早，确保要害信息的及时替换。
• 车载资讯娱乐和近程诊断系统：MQTT over QUIC 能够进步资讯娱乐零碎的性能，实现更快的媒体流、导航更新和实时交通信息，同时确保通信安全。
• 车队治理和跟踪：实时跟踪和治理车队须要车辆和管理系统之间的高效通信。MQTT over QUIC 能够提供牢靠和平安的通信，实现车辆地位、诊断和驾驶行为的实时更新。
• OTA 更新：安全可靠的 OTA 更新对更新车辆固件和软件至关重要。MQTT over QUIC 能够提供必要的安全性和可靠性，无需中断车辆操作就能够传送这些更新。
• 应急响应：在紧急情况下，牢靠和疾速的通信十分重要。MQTT over QUIC 能够确保及时平安地在应急车辆、响应团队和控制中心之间替换信息。

EMQX：首个实现 MQTT over QUIC 的 MQTT Broker

EMQX 是寰球当先的开源 MQTT Broker，领有高性能的实时音讯解决引擎，为海量的物联网设施事件流解决提供能源。EMQX 从 5.0 版本开始反对 MQTT over QUIC，成为首个反对 MQTT over QUIC 的 MQTT Broker。不仅为古代简单网络的 MQTT 音讯传输提供了一种更高效平安的新形式，同时能够在某些场景下显著进步 MQTT 性能。

EMQX 反对将传输层替换为 QUIC 流，客户端可发动连贯并创立双向流，从而实现更加高效牢靠的通信。EMQX 反对两种操作模式：

• 单流模式 是一种基本模式，它将 MQTT 报文封装在一个双向的 QUIC 流中。该模式提供了疾速握手、有序数据传输、连贯复原、0-RTT、客户端地址迁徙以及加强的丢包检测和复原等性能。这种模式使得客户端和 Broker 之间的通信更加疾速和高效，同时放弃有序，还可能疾速复原连贯，并反对在不影响客户端通信的状况下迁徙其本地地址。
• 多流模式 利用了 QUIC 的多路复用个性，容许 MQTT 报文在多个流中传输。这使得单个 MQTT 连贯能够并行传输多个主题的数据且互不烦扰。该模式还提供了多项优化，例如解耦连贯管制和 MQTT 数据交换、防止 HOL 阻塞、拆散上行和上行数据、优先解决不同类型的数据、进步并发性、加强鲁棒性、容许对数据流进行流量管制以及升高订阅提早等。

应用 NanoSDK 客户端连贯 MQTT over QUIC

NanoSDK 是基于 C 语言开发的第一个反对 MQTT over QUIC 的 SDK，齐全兼容 EMQX 5.0。NanoSDK 的次要特点包含异步 I/O、将 MQTT 连贯映射到 QUIC 流、低提早的 0-RTT 握手以及多核并行处理等。

此外，EMQX 还为多种编程语言提供了客户端 SDK，以反对 MQTT over QUIC，包含：

• NanoSDK-Python：NanoSDK 的 Python binding。
• NanoSDK-Java：NanoSDK 的 Java JNA binding。
• emqtt – Erlang MQTT 客户端：应用 Erlang 开发的反对 QUIC 的 MQTT 客户端。

版权申明：本文为 EMQ 原创，转载请注明出处。

原文链接：https://www.emqx.com/zh/blog/quic-protocol-the-features-use-cases-and-impact-for-iot-iov