QUIC 报文/帧

又过一个秋
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QUIC 报文

长头是 初期报文
端头是 长连接报文

1. 长头部包通用结构（Initial/0-RTT/Handshake）

长头部包共有的基础结构如下（比特级）：

字段长度（比特）说明
Header Form11（表示长头部）
Fixed Bit11（固定为 1，用于区分 QUIC 与其他协议）
Long Packet Type20=Initial，1=0-RTT，2=Handshake，3=Retry
Type-Specific Bits4不同类型包的特有标志（如 Initial 含 Reserved Bits 和 Packet Number Length）
Version32QUIC 版本号（32 位无符号整数）
DST CID Length8目标连接 ID 长度（0-20 字节，即 0-160 比特）
DST CID可变（8*N）目标连接 ID（长度由上一字段指定）
SRC CID Length8源连接 ID 长度（0-20 字节）
SRC CID可变（8*N）源连接 ID（长度由上一字段指定）
（类型特有字段）可变如 Initial 含 Token Length+Token；其他长头部包含 Length
Length可变（i）载荷长度（i 表示变长整数，用于标识后续 Packet Number+Payload 的总长度）
Packet Number8/16/32/64包序号（长度由 Type-Specific Bits 中的 Packet Number Length 指定）
Packet Payload可变载荷数据（加密的帧序列）
2. Initial Packet 结构（长头部）

在长头部基础上增加 Token 相关字段：

字段长度（比特）说明
Header Form11
Fixed Bit11
Long Packet Type20（Initial）
Reserved Bits2保留位（必须为 0）
Packet Number Length2包序号长度（0=1 字节，1=2 字节，2=4 字节，3=8 字节）
Version32QUIC 版本号
DST CID Length8目标连接 ID 长度
DST CID8*N目标连接 ID
SRC CID Length8源连接 ID 长度
SRC CID8*N源连接 ID
Token Length可变（i）Token 长度（i 为变长整数）
Token8*MToken 数据（服务器返回的验证令牌，长度由上一字段指定）
Length可变（i）后续 Packet Number+Payload 的总长度
Packet Number8/16/32/64包序号（长度由 Packet Number Length 指定）
Packet Payload可变加密的 Initial 帧（如 crypto 帧）
3. 0-RTT/Handshake Packet 结构（长头部）

与 Initial 类似，但无 Token 字段：

字段长度（比特）说明
Header Form11
Fixed Bit11
Long Packet Type21=0-RTT，2=Handshake
Reserved Bits2保留位（0-RTT/Handshake 特有）
Packet Number Length2包序号长度
Version32QUIC 版本号
DST CID Length8目标连接 ID 长度
DST CID8*N目标连接 ID
SRC CID Length8源连接 ID 长度
SRC CID8*N源连接 ID
Length可变（i）后续 Packet Number+Payload 的总长度
Packet Number8/16/32/64包序号
Packet Payload可变加密的载荷（0-RTT 为应用数据，Handshake 为握手数据）
4. Retry Packet 结构（长头部）

服务器用于重定向连接的包，无包序号和 Length 字段：

字段长度（比特）说明
Header Form11
Fixed Bit11
Long Packet Type23（Retry）
Unused4未使用（必须为 0）
Version32必须与 Initial 包版本一致
DST CID Length8目标连接 ID 长度（通常与 Initial 包的源 CID 长度一致）
DST CID8*N目标连接 ID（通常为 Initial 包的源 CID）
SRC CID Length8源连接 ID 长度（服务器生成的新 CID）
SRC CID8*N源连接 ID（服务器生成的新 CID）
Retry Token可变重传令牌（包含原始连接信息，用于客户端验证）
Retry Integrity Tag128完整性标签（16 字节，用于验证 Retry 包合法性）
5. 1-RTT Packet 结构（短头部）

连接建立后的应用数据传输包，头部更紧凑：

字段长度（比特）说明
Header Form10（表示短头部）
Fixed Bit11
Spin Bit1用于检测往返时间（RTT），客户端 / 服务器交替翻转
Reserved Bits2保留位（必须为 0）
Key Phase1密钥阶段（0 或 1，标识当前使用的密钥集）
Packet Number Length2包序号长度（0=1 字节，1=2 字节，2=4 字节，3=8 字节）
DST CID可变（8*N）目标连接 ID（长度固定，由连接上下文协商）
Packet Number8/16/32/64包序号（长度由 Packet Number Length 指定）
Packet Payload可变加密的应用数据帧（如流帧、确认帧等）

QUIC 帧

  1. 所有帧均以 “1 字节类型字节” 开头：通过类型字节直接区分帧类型，部分帧（如 Stream、Ack）的类型字节包含额外控制位（低 N 位）。
  2. 变长字段统一用 varint 编码：varint 编码按 “字节最高位标识是否续接”，可表示 1~ 10 字节的整数，减少小数值的字节消耗（如 1 字节可表示 0~ 127，2 字节可表示 128~16383）。
  3. 可选字段由类型字节控制：如 Stream Frame 的 offset/data_len 是否存在，由类型字节的 bit2/bit1 决定；Ack Frame 的 ECN 扩展是否存在，由类型字节是否为 0x03 决定。

一、数据传输类帧（承载核心数据）

1. Stream Frame（流数据帧）⭐

  • 类型字节：0x08~0x0F（低 3 位为控制位，含义：bit0=fin（流结束）、bit1=has_length（是否带数据长度）、bit2=has_offset（是否带数据偏移））
  • 帧格式（字段按顺序排列）：
    1. 类型字节（1 字节）：含控制位，如 0x08（无 fin、无长度、无偏移）、0x0F（fin + 有长度 + 有偏移）
    2. stream_id（varint）：流唯一标识（如客户端发起的双向流为奇数，服务器发起为偶数）
    3. offset（varint，可选）：仅当bit2=1时存在，标识当前数据在流中的偏移量
    4. data_len（varint，可选）：仅当bit1=1时存在，标识后续 data 字段的长度
    5. data（固定长度）：仅当 data_len>0 时存在，长度 = data_len，为实际流数据

2. Crypto Frame（加密握手帧）⭐

  • 类型字节：0x06（固定）
  • 帧格式：
    1. 类型字节（1 字节）：0x06
    2. offset（varint）：当前加密数据在握手数据流中的偏移量
    3. data_len（varint）：后续加密数据的长度
    4. data（固定长度）：长度 = data_len，为 TLS 握手数据（如 ClientHello、ServerHello）

3. Datagram Frame（数据报帧，代码未实现）

  • 类型字节：0x30（无 fin）、0x31（有 fin）
  • 帧格式（协议规范定义）：
    1. 类型字节（1 字节）：0x30/0x31（bit0=fin，标识数据报是否结束）
    2. data_len（varint）：后续数据报的长度
    3. data（固定长度）：长度 = data_len，为不可靠传输的应用数据（无需确认）

二、流量控制类帧（控制数据发送限制）

1. MaxData Frame（连接级最大数据帧）⭐

所有流的总数据量

  • 类型字节：0x10（固定）
  • 帧格式：
    1. 类型字节（1 字节）：0x10
    2. maximum_data（varint）：整个连接允许发送的最大数据量（字节数）

2. MaxStreamData Frame（流级最大数据帧）⭐

单个特定流（由 stream_id 指定）的数据量

  • 类型字节：0x11（固定）
  • 帧格式：
    1. 类型字节（1 字节）：0x11
    2. stream_id（varint）：目标流的唯一标识
    3. maximum_stream_data（varint）：该流允许发送的最大数据量（字节数）

3. MaxStreams Frame（最大流数量帧）⭐

限制连接上可以创建的流数量

  • 类型字节：0x12（双向流）、0x13（单向流）
  • 帧格式：
    1. 类型字节（1 字节）：0x12（双向）/0x13（单向）
    2. maximum_streams（varint）：允许创建的该类型流的最大数量

4. DataBlocked Frame（连接数据阻塞帧）⭐

  • 类型字节：0x14（固定）
  • 帧格式：
    1. 类型字节（1 字节）：0x14
    2. offset（varint）：当前连接已发送数据的偏移量（标识阻塞时的数据位置）

5. StreamDataBlocked Frame（流数据阻塞帧）⭐

  • 类型字节：0x15（固定）
  • 帧格式：
    1. 类型字节（1 字节）：0x15
    2. stream_id（varint）：目标流的唯一标识
    3. offset（varint）：该流已发送数据的偏移量（标识阻塞时的数据位置）

6. StreamsBlocked Frame（流数量阻塞帧）⭐

  • 类型字节：0x16（双向流）、0x17（单向流）
  • 帧格式：
    1. 类型字节（1 字节）：0x16（双向）/0x17（单向）
    2. stream_limit（varint）：该类型流的最大数量限制（即已达到的上限值）

三、连接管理类帧（维护连接生命周期）

1. NewConnectionId Frame（新连接 ID 帧）⭐

  • 类型字节：0x18（固定）
  • 帧格式：
    1. 类型字节（1 字节）：0x18
    2. sequence（varint）：新连接 ID 的序号（用于标识 ID 版本）
    3. retire_prior_to（varint）：序号小于该值的连接 ID 均需废弃
    4. cid_len（1 字节）：后续连接 ID 的长度（1~20 字节）
    5. cid（固定长度）：长度 = cid_len，新的连接 ID（二进制数据）
    6. stateless_reset_token（16 字节）：无状态重置令牌（固定长度，用于连接异常重置）

2. RetireConnectionId Frame（废弃连接 ID 帧）⭐

  • 类型字节：0x19（固定）
  • 帧格式：
    1. 类型字节（1 字节）：0x19
    2. seq_num（varint）：需废弃的连接 ID 的序号

3. HandshakeDone Frame（握手完成帧）⭐

  • 类型字节：0x1E（固定）
  • 帧格式：仅 1 字节类型字节（0x1E），无后续字段（标识握手完成，进入应用数据阶段）

4. ConnectionClose Frame（连接关闭帧）⭐

  • 类型字节：0x1C（传输层错误）、0x1D（应用层错误）
  • 帧格式：
    1. 类型字节（1 字节）：0x1C（传输层）/0x1D（应用层）
    2. error_code（varint）：关闭错误码（传输层错误码如 0x01 = 连接超时，应用层错误码自定义）
    3. frame_type（varint，可选）：仅当类型字节 = 0x1C 时存在，标识导致关闭的错误帧类型（如 0x08=Stream Frame）
    4. reason_phrase_len（varint）：后续错误描述的长度
    5. reason_phrase（固定长度）：长度 = reason_phrase_len，UTF-8 编码的错误描述（如 “connection timeout”）

5. RstStream Frame（流重置帧）⭐

终止流并提供错误信息

  • 类型字节：0x04（固定）
  • 帧格式：
    1. 类型字节（1 字节）：0x04
    2. stream_id（varint）：需重置的流的唯一标识
    3. final_offset（varint）：流的最终数据偏移量（标识重置前已接收的数据位置，同步双方的流状态，避免数据重复处理转存失败，建议直接上传图片文件
    4. error_code（varint）：流重置的错误码（如 0x02 = 流被拒绝）

6. StopSending Frame（停止发送帧）⭐

  • 类型字节：0x05（固定）
  • 帧格式：
    1. 类型字节（1 字节）：0x05
    2. stream_id（varint）：需停止发送的流的唯一标识
    3. error_code（varint）：停止发送的错误码（如 0x03 = 接收缓冲区已满）

四、路径验证类帧（确认路径有效性）

1. PathChallenge Frame（路径探测帧）⭐

  • 类型字节：0x1A（固定）
  • 帧格式：
    1. 类型字节（1 字节）：0x1A
    2. data（8 字节，固定长度）：路径探测随机数据（接收方需原封不动通过 PathResponse 返回）

2. PathResponse Frame（路径响应帧）⭐

  • 类型字节：0x1B（固定）
  • 帧格式：
    1. 类型字节（1 字节）：0x1B
    2. data（8 字节，固定长度）：原封不动返回的 PathChallenge 探测数据（用于确认路径可达）

3. NEW_TOKEN Frame（令牌帧）⭐

  • 类型字节：0x07（固定）
  • 帧格式：Token (variable): 服务器生成的令牌数据(不透明二进制)

五、特殊功能类帧（辅助性作用）

1. Padding Frame（填充帧）

  • 类型字节：0x00（固定）
  • 帧格式：仅 1 字节类型字节（0x00），无后续字段（可连续多个 Padding Frame 叠加，用于填充数据包到指定长度）

2. Ping Frame（保活帧）⭐

  • 类型字节：0x01（固定）
  • 帧格式：仅 1 字节类型字节（0x01），无后续字段（用于测量 RTT 和维持连接活性）

3. Ack Frame（确认帧）⭐

  • 类型字节：0x02（无 ECN）、0x03（带 ECN）
  • 帧格式（最复杂，分基础部分和 ECN 扩展部分）：
    1. 类型字节（1 字节）：0x02（无 ECN）/0x03（带 ECN）
    2. largest_ack（varint）：已确认的最大数据包号
    3. ack_delay（varint）：从接收最大数据包到发送 Ack 的延迟时间（单位：微秒）
    4. ack_block_count（varint）：确认块的数量（= 实际确认块数 - 1，如 1 个确认块则该值为 0）
    5. first_ack_block（varint）：第一个确认块的长度（=largest_ack - 最小确认包）。比如：若最大包号largest=10，first_ack_block=5，则最小包号smallest=10-5=5，第一个 ACK 范围为[5,10]（表示 5-10 号包均已收到）。
    6. gap（varint，可选）：仅当 ack_block_count>0 时存在，当前确认块与前一个确认块的间隔（= 前一个确认块最小包号 - 当前确认块最大包号 - 2）
    7. ack_block（varint，可选）：仅当 ack_block_count>0 时存在，当前确认块的长度（= 当前确认块最大包号 - 当前确认块最小包号）
    8. ECN 扩展（可选，仅类型字节 = 0x03 时存在）：
      • ect0_count（varint）：标记为 ECN-ECT0 的数据包数量
      • ect1_count（varint）：标记为 ECN-ECT1 的数据包数量
      • ecn_ce_count（varint）：标记为 ECN-CE（拥塞）的数据包数量

带 ECN 的 ACK（ACK with ECN）  是接收方向发送方反馈网络拥塞状态的关键机制，它在常规 ACK 帧（用于确认数据包接收）的基础上，额外携带了接收方观察到的ECN 标记统计信息，帮助发送方感知网络拥塞，而无需依赖丢包作为唯一拥塞信号。

  1. 发送方标记 ECN 能力：发送方在 QUIC 数据包的首部（长首部或短首部）设置ECT0或ECT1，表明该数据包支持 ECN。
  2. 路由器标记拥塞：若中间路由器检测到拥塞，会将数据包的 ECN 标记改为CE（而非丢弃数据包）。
  3. 接收方统计并反馈：接收方收到数据包后，统计ECT0/ECT1/CE的数量，并将这些计数器放入 ACK 帧中，回传给发送方。
  4. 发送方调整策略：发送方通过 ACK 中的 CE 计数判断拥塞程度（如 CE 数量越多，拥塞越严重），触发拥塞控制逻辑（如减小拥塞窗口、降低发送速率）。
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