QUIC 協定：特性、套用場景及其對物聯網/車聯網的影響

2023-05-27汽車

什麽是 QUIC 協定

QUIC（Quick UDP Internet Connections）是由谷歌公司開發的一種基於使用者數據報協定（UDP）的傳輸層協定，旨在提高網絡連線的速度和可靠性，以取代當前互聯網基礎設施中廣泛使用的傳輸控制協定（TCP）。

QUIC 透過加密和多路復用技術來提供更高的安全性和更快的數據傳輸。它支持在單個連線上並列發送多個數據流，從而降低延遲並提高吞吐量。QUIC 還具有擁塞控制和流量控制等機制，以應對網絡擁塞並保證數據傳輸的穩定性。

國際互聯網工程任務組（IETF）已完成對 QUIC 的標準化，並且主流的 Web 瀏覽器和伺服器正在逐步采用它。與 TCP 相比，QUIC 在高延遲和不穩定的網絡環境中，如流動網絡，可以顯著提升網頁載入速度並減少連線中斷，使得網絡體驗更加流暢。

QUIC 協定的基本特性

相互獨立的邏輯流

相互獨立的邏輯流是 QUIC 的核心特性之一。它允許在單個連線上並列傳輸多個數據流，並且每個流可以獨立地處理。相比之下，TCP 只支持單數據流，需要按照發送順序接收和確認每個報文。透過多路復用，應用程式可以更高效地發送和接收數據，並更好地利用網絡頻寬等資源。

一致安全性

QUIC 的另一個重要特性是它提供了端到端的安全保護。所有透過 QUIC 發送的數據都是預設加密的，並且不支持明文通訊。這有助於防止數據被竊聽和其他形式的攻擊。QUIC 使用傳輸層安全協定（TLS）來建立和維護安全連線和端到端加密。

低延遲

QUIC 協定的設計目的是減少建立連線所需的延遲，以便在端點之間快速地發送和接收數據。對於流動網絡這種高延遲的網絡環境來說，這一點尤為重要。為了實作這個目標，QUIC 最小化了建立連線所需的往返次數，並且采用更小的報文來發送數據。傳統的互聯網協定通常存在延遲問題，例如美歐之間的往返時間有時可達 300 或 400 毫秒。

可靠性

QUIC 基於 UDP 但可提供可靠傳輸能力。類似於 TCP，它是一種面向連線的傳輸協定。QUIC 協定在數據傳輸過程中具有報文遺失恢復和重傳功能，這可以確保數據的完整性和準確性。此外，QUIC 可以保證封包按照發送順序到達，避免因封包亂序導致的數據錯誤。

消除 HOL 阻塞

QUIC 透過支持多個數據流來解決 HOL 阻塞問題。這使得來自不同套用的訊息可以獨立地傳遞，避免了因為等待其他套用而可能產生的延遲。

QUIC 協定常見的套用場景

隨著 HTTP/3 和 QUIC 越來越流行並被廣泛采用，湧現出多種多樣的套用場景。這些套用場景覆蓋了直播、影片、點播、下載、Web 加速等領域，其中最具潛力的套用場景有：

即時 Web 和流動應用 ：這些套用（如整合了語音和影片通訊功能的 Web 和流動應用）需要低延遲和可靠的數據傳輸。QUIC 利用相互獨立的數據流和擁塞控制機制，使其成為這些套用的理想選擇，因為它可以快速高效地發送和接收數據。在 QUIC 的多路復用模式下，同一連線內不同數據流之間的數據傳輸互不幹擾。
與物聯網器材通訊 ：物聯網器材通常使用 TCP 和 MQTT 等協定進行通訊。然而，這些協定在受限的網絡環境中可能存在高延遲和丟包等問題。相比之下，專為高延遲和丟包的網絡環境而設計的 QUIC 可以提供更可靠和高效的替代方案。QUIC 可以實作接近零的往返時間（RTT），這對於提高網絡效能和使用者體驗至關重要。
車聯網和網聯汽車 ：QUIC 可以極大地促進車聯網生態系的發展。這些系統需要即時的數據交換來提供諸如交通管理、車輛跟蹤和安全功能等服務。QUIC 具有低延遲、多路復用的特性，以及對封包遺失和重排序的處理能力，可以確保車輛和基礎設施元件之間可靠而高效的通訊。此外，QUIC 使用 TLS 加密保護敏感車輛數據，提供了更強的安全保障。
雲端運算 ：雲端運算是指透過互聯網提供計算資源的服務。使用 QUIC 協定可以帶來多方面的好處，例如低延遲和端到端加密，這可以提升使用者體驗、增強系統安全。
支付和電子商務套用 ：這些套用需要安全可靠的數據傳輸。QUIC 透過 TLS 加密和可靠的 HTTP3 數據流，使其成為這些套用的理想選擇，有助於保證數據安全完整地傳輸。從終端使用者的角度來看，QUIC 協定透過保證更快、更順暢的交易，最佳化了使用者體驗。

MQTT 與 MQTT over QUIC

MQTT 是一種適用於低頻寬、高延遲或不穩定網絡環境的輕量級訊息協定。它執行在套用層，主要用於機器對機器（M2M）通訊和物聯網場景。MQTT 采用釋出/訂閱模型，器材將訊息發送到 Broker（即釋出），其他器材根據主題接收這些訊息（即訂閱）。

對於 Web 套用而言，QUIC 專註於提高其效能和安全性，而 MQTT 則專為資源受限的網絡環境提供輕量級和高效的訊息傳遞解決方案。基於 QUIC 的 MQTT 可以顯著提高效能並降低延遲，同時無需額外的 TLS 開銷。由於大多數 QUIC 棧實作是在使用者空間完成的，因此可以根據套用層的要求，自訂 QUIC 的數據傳輸，以適應不同的網絡環境。

MQTT over QUIC 與 MQTT over TCP/TLS 對比

MQTT over TCP/TLS 指的是使用 TCP 作為傳輸層的 MQTT 協定。TCP 是一種可靠的、面向連線的協定，可確保封包在器材之間的正確傳遞。 TLS 是一種加密協定，透過加密兩個端點之間傳輸的數據，為網絡提供安全通訊。通常情況下，TLS 作為 TCP 的上層協定使用，它使用 TCP 在兩個端點之間建立和維護連線，並加密在該連線上傳輸的數據。

MQTT over QUIC

MQTT over QUIC 相比 MQTT over TCP/TLS 具有明顯的優勢：

連線建立：

MQTT over TCP/TLS：MQTT over TCP/TLS 遵循 TLS1.2 規範，需要在 TCP 層和 TLS 層各進行一次握手。這意味著在套用層開始交換數據之前，需要進行兩到三次往返通訊。

MQTT over QUIC：MQTT over QUIC 遵循 TLS1.3 規範，可以利用零或一次往返（0-RTT 或 1-RTT）握手快速建立連線，降低連線建立時的延遲。

延遲和效能：

MQTT over TCP/TLS：提供可靠的數據傳輸，但 TCP 的 HOL 阻塞問題和擁塞控制機制可能導致延遲增加和效能降低，尤其是在不可靠的網絡環境下。

MQTT over QUIC：將 TCP 的可靠性與 UDP 的低延遲特性相結合。QUIC 的多路復用特性有助於最小化 HOL 阻塞問題，從而在有丟包或高延遲的網絡環境下提高效能。

安全性：

MQTT over TCP/TLS：為了保證 MQTT 通訊的安全，通常將其與 TLS 結合使用，TLS 提供了加密和認證功能。但是，這需要在連線建立和數據傳輸過程中增加額外的開銷。

MQTT over QUIC：QUIC 使用 TLS1.3 實作了內建加密，提供了安全的通訊，無需額外的設定或開銷。

客戶端的連線遷移：

MQTT over TCP/TLS：如果 MQTT 客戶端或伺服器更換了 IP 地址或網絡，那麽現有的 TCP 連線就必須斷開並重新建立，這會增加套用對例外處理的難度，容易出現各種因處理異常導致的 Bug。

MQTT over QUIC：支持連線平滑遷移，允許客戶端或伺服器在不影響正在進行的通訊的情況下更換 IP 地址、埠或網絡。

套用和支持：

MQTT over TCP/TLS：已經得到了廣泛的套用和支持，很多平台和程式語言都有 MQTT broker、客戶端和庫的實作。

MQTT over QUIC：到目前為止，由於 QUIC 仍然是一種新興的協定，因此 MQTT over QUIC 還沒有得到廣泛的套用和支持。

MQTT over QUIC 在車聯網中的套用場景

在車聯網場景下，MQTT over QUIC 可以帶來很多優勢，因為低延遲、可靠和安全的通訊對各種套用來說都非常重要。由於 QUIC 結合了 TCP 和 UDP 的優點，並且提供了內建的加密，因此它可以顯著提高基於 MQTT 的車聯網套用的效能和安全性。

在車聯網中使用 MQTT over QUIC 的場景包括：

車對基礎設施（V2I）通訊 ：QUIC 的低延遲和可靠的數據傳輸可以提高車輛與基礎設施元件（如交通訊號燈、收費系統或智能停車系統等）之間的通訊效率。

車對車（V2V）通訊 ：快速和安全的數據交換對於諸如碰撞避免、協同自適應巡航控制和編隊等套用非常關鍵。MQTT over QUIC 可以為這些套用提供必要的速度和安全保障。

車聯網（V2X）通訊 ：V2X 通訊將車輛、基礎設施和其他道路使用者組合起來，旨在提高道路安全和交通效率。MQTT over QUIC 可以提供可靠的通訊，並減少延遲，確保關鍵資訊的及時交換。

車載資訊娛樂和遠端診斷系統 ：MQTT over QUIC 可以提高資訊娛樂系統的效能，實作更快的媒體流、導航更新和即時交通資訊，同時確保通訊安全。

車隊管理和跟蹤 ：即時跟蹤和管理車隊需要車輛和管理系統之間的高效通訊。MQTT over QUIC 可以提供可靠和安全的通訊，實作車輛位置、診斷和駕駛行為的即時更新。

OTA 更新 ：安全可靠的 OTA 更新對更新車輛固件和軟件至關重要。MQTT over QUIC 可以提供必要的安全性和可靠性，無需中斷車輛操作就可以傳送這些更新。

應急響應 ：在緊急情況下，可靠和快速的通訊非常重要。MQTT over QUIC 可以確保及時安全地在應急車輛、響應團隊和控制中心之間交換資訊。

EMQX：首個實作 MQTT over QUIC 的 MQTT Broker

EMQX 是全球領先的開源 MQTT Broker，擁有高效能的即時訊息處理引擎，為海量的物聯網器材事件流處理提供動力。EMQX 從 5.0 版本開始支持 MQTT over QUIC，成為首個支持 MQTT over QUIC 的 MQTT Broker。不僅為現代復雜網絡的 MQTT 訊息傳輸提供了一種更高效安全的新方式，同時可以在某些場景下顯著提高 MQTT 效能。

EMQX 支持將傳輸層替換為 QUIC 流，客戶端可發起連線並建立雙向流，從而實作更加高效可靠的通訊。EMQX 支持兩種操作模式：

單流模式 是一種基本模式，它將 MQTT 報文封裝在一個雙向的 QUIC 流中。該模式提供了快速握手、有序數據傳輸、連線恢復、0-RTT、客戶端地址遷移以及增強的丟包檢測和恢復等功能。這種模式使得客戶端和 Broker 之間的通訊更加快速和高效，同時保持有序，還能夠快速恢復連線，並支持在不影響客戶端通訊的情況下遷移其本地地址。

多流模式 利用了 QUIC 的多路復用特性，允許 MQTT 報文在多個流中傳輸。這使得單個 MQTT 連線可以並列傳輸多個主題的數據且互不幹擾。該模式還提供了多項最佳化，例如解耦連線控制和 MQTT 數據交換、避免 HOL 阻塞、分離上行和下行數據、優先處理不同類別的數據、提高並行性、增強魯棒性、允許對數據流進行流量控制以及降低訂閱延遲等。