跟坚哥学QUIC系列：版本协商（Version Negotiation）

QUIC 目前由 IETF 工作组起草进行标准化设计，预计 2021 年初提交 RFC。IETF 工作组在设计过程中发布了多个版本的草案，目前最新的草案版本是 2020-10-20 发布的 draft-32。另外 QUIC 是在用户侧（User space）实现的，版本迭代会比较方便和快速，市面上的 QUIC 协议的实现可能基于不同的版本（比如 draft-29, draft-30, ...）。这意味着客户端（client）和服务端（server）支持的 QUIC 协议版本可能不一样，它们建立连接时需要先进行版本协商（Version Negotiation），使用双方都支持的一个版本。

客户端和服务端创建连接时，客户端在首次发起请求时需要带上它支持的协议版本号。

发送版本协商数据包

当服务端收到新连接的数据包时，它会检查是否支持客户端的协议版本：

如果服务端可以支持客户端的版本，服务端将为连接的整个生命周期使用这个协议版本。
如果服务端不支持该版本，服务端就响应版本协商包（Version Negotiation packet），附上它所支持的版本集合，这将增加 1-RTT（Round-Trip Time）的延迟开销。

注意事项

为了减少放大攻击（amplification attacks），QUIC 协议要求客户端发送的初始数据包大小（Initial Datagram Size）最少为 1200 字节。如果初始数据包小于 1200 字节，需要使用 PADDING frame 填充，不然该数据包会被服务端丢弃。
只有服务端可以发送版本协商包（Version Negotiation packet），客户端不能发送。
服务端识别到 0-RTT 数据包（之前有成功连接过），可以选择不发送版本协商包，以减少额外的 1-RTT 版本协商延迟。
服务端响应发送的初始（Initial）数据包或版本协商数据包可能丢失，客户端可以继续发送新的数据包、直到它成功接收到服务端响应，或者放弃连接尝试。

处理版本协商数据包

客户端收到版本协商包后，从服务端所支持的版本集合里面挑选它所支持的版本。

如果所有的版本都不支持，则客户端需要丢弃连接。
如果有匹配到支持的版本，客户端尝试使用该版本创建新连接。新连接必须使用一个新的随机目标连接ID（Destination Connection ID）。

注意事项

如果客户端已接收并成功处理了任何其他包（包括早期的版本协商包），则客户端必须丢弃它后来新收到的版本协商包。
客户端需要检查协商数据包的连接ID是否匹配，确保不是攻击者伪造发送的。
当前版本没有防止降级攻击（downgrade attacks）的机制，不能在草案（draft）版本之外。如何防止版本降级攻击（downgrade attacks）将放在以后的版本里面定义。

版本号

QUIC 版本使用 32 位无符号数字标识。版本号 0x00000000 被保留用来表示版本协商。版本号 0x00000001 是为作为 RFC 发布的协议版本保留的。

0x?a?a?a?a 格式的版本号被保留（reserved）用于强制执行版本协商。也就是说，所有字节的低 4 位是 1010（二进制）的任何版本号。保留的版本号永远不会代表真正的协议，客户端可以使用其中一个保留版本号，并期望服务端启动版本协商，测试是否能正确处理不支持的协议版本。

0xff000000 用于标识 IETF 草案版本号。例如，draft-ietf-quic-transport-13 将被标识为 0xff00000d。

QUIC 协议实现者可以在 https://link.zhihu.com/?target=https%3A//github.com/quicwg/base-drafts/wiki/QUIC-Versions 注册用于私有实验的QUIC版本号。

版本协商数据包（Version Negotiation packet）

在客户端接收数据包时（packet），它将基于 Version 字段的值为 0 来标识版本协商包。

Version Negotiation Packet {
  Header Form (1) = 1,
  Unused (7),
  Version (32) = 0,
  Destination Connection ID Length (8),
  Destination Connection ID (0..2040),
  Source Connection ID Length (8),
  Source Connection ID (0..2040),
  Supported Version (32) ...,
}

Unused：由服务端随机选择，客户端必须忽略此字段的值。服务端应将此字段的最高有效位（0x40）设置为1，以便版本协商数据包具有固定位（Fixed Bit）字段。

Version：必须设置为 0x00000000

Destination Connection ID：是服务端接收到的数据包（packet）里面的 Source Connection ID。

Source Connection ID：是服务端接收到的数据包（packet）里面的 Destination Connection ID，这个 ID 最初是由客户端随机选择的。

回显这两个连接 ID 可以让客户端确信服务端收到了数据包，并且版本协商数据包不是由攻击者生成的。

未来版本的 QUIC 可能对连接 ID 的长度有不同的要求。特别是，连接 ID 可能具有较小的最小长度或更大的最大长度。因此，特定版本规则的连接 ID 不能影响服务端关于是否发送版本协商包的决定。

Supported Version：服务端支持的 32 位版本号集合

注意事项

版本协商包不需要 ACK
版本协商包没有 Packet Number 和 Length 字段。因此，它将使用整个 UDP 数据报（datagram）。
服务端不能在单个 UDP 数据报（datagram）里面发送多个版本协商包。

QUIC 的全称是 Quick UDP Internet Connections protocol，由 Google 设计提出，目前由 IETF 工作组推动进展，其设计的目标是替代 TCP 成为 HTTP/3 的数据传输层协议。熹乐科技在物联网（IoT）和边缘计算（Edge Computing）场景也一直在打造底层基于 QUIC 通讯协议的边缘计算微服务框架YoMo，长时间关注 QUIC 协议的发展，本系列文章总结了学习 QUIC 协议时的知识点。

在线社区：discord/quic

维护者：YoMo

xiaojian-hong