QUIC协议分析与测试

[编程菜鸟111]

一、QUIC协议简介

1. QUIC介绍

QUIC 是一种面向连接的协议，它在客户端和服务器之间创建有状态的交互。QUIC 集成了 TLS 握手，使用定制的帧来保护数据包。握手的结构允许尽快交换应用程序数据，这包括客户端立即发送数据的选项 (0-RTT)，这需要某种形式的事先通信或配置才能启用。端点通过交换 QUIC 数据包在 QUIC 中进行通信。大多数数据包都包含帧，这些帧在端点之间携带控制信息和应用程序数据。QUIC 对每个数据包的整体进行身份验证，并尽可能多地加密每个数据包。QUIC 数据包在 UDP 数据报中携带，以更好地促进在现有系统和网络中的部署。

应用程序协议通过 QUIC 连接通过流交换信息，流是有序的字节序列。可以创建两种类型的流：双向流，允许两个端点发送数据；和单向流，允许单个端点发送数据。基于信用的方案用于限制流创建并限制可以发送的数据量。

一旦建立，就会为连接终止提供多个选项。应用程序可以管理正常关闭，端点可以协商超时期限，错误可以导致立即连接断开，并且无状态机制提供在一个端点丢失状态后终止连接。

2. QUIC优势

• 改进的拥塞控制。传统的TCP拥塞控制需要端到端的网络协议栈支持，而QUIC在应用程序层面就能实现不同的拥塞控制算法；此外，应用程序不需要停机就能实现拥塞控制的变更，拥有很大的灵活性。
• 0RTT连接。目前HTTPS每次建立连接需要TCP三次握手+TLS握手，至少需要3RTT时间，而QUIC由于建立在UDP的基础上，所以只需要0个RTT就能实现数据发送。

• 连接迁移。QUIC 连接并不严格绑定到单个网络路径。连接迁移使用连接标识符来允许连接转移到新的网络路径，连接标识符由一个64位的随机数来确定，即使IP地址或者端口号发生变化也可以不用重新建立连接。这种设计还允许在网络拓扑或地址映射发生变化后继续连接，例如可能由 NAT 重新绑定引起的连接变化。
• 加密认证的报文。TCP协议头部没有经过加密处理，数据在网络传输中容易被其他设备窃取和篡改。但是QUIC除了个别报文都是经过认证的，报文主体都经过了加密，如果有对报文进行修改的信息接收端都能够及时发现，可以降低网络数据的风险。

二、MsQuic编译及测试（Ubuntu）

1. 源码目录结构

• bin：所有静态库打包到特定平台的二进制文件中
• core：实现QUIC协议的平台无关代码
• inc：其他目录使用的头文件
• mainfest：Windows ETW清单和相关文件
• platform：操作系统类型、套接字和TLS的平台特定代码
• test：MsQuic API/协议的测试代码
• tools：MsQuic的实践工具

2. 构建MsQuic环境

1. 下载源码

git clone --recursive https://github.com/microsoft/msquic.git

2. 安装PowerShell

# Download the Microsoft repository GPG keys
wget -q https://packages.microsoft.com/config/ubuntu/18.04/packages-microsoft-prod.deb

# Register the Microsoft repository GPG keys
sudo dpkg -i packages-microsoft-prod.deb

# Update the list of products
sudo apt-get update

# Enable the "universe" repositories
sudo add-apt-repository universe

# Install PowerShell
sudo apt-get install -y powershell

# Start PowerShell
pwsh

如果在安装PowerShell中出现如下错误：

powershell : Depends: libicu55 but it is not installable

你需要首先运行如下代码：

sudo apt-get remove libicu57
wget http://security.ubuntu.com/ubuntu/pool/main/i/icu/libicu55_55.1-7ubuntu0.5_amd64.deb
sudo dpkg -i libicu55_55.1-7ubuntu0.5_amd64.deb
wget http://security.ubuntu.com/ubuntu/pool/main/o/openssl/libssl1.0.0_1.0.2g-1ubuntu4.18_amd64.deb
sudo dpkg -i libssl1.0.0_1.0.2g-1ubuntu4.18_amd64.deb

3. 安装.NET Core

wget https://packages.microsoft.com/config/ubuntu/20.04/packages-microsoft-prod.deb -O packages-microsoft-prod.deb
sudo dpkg -i packages-microsoft-prod.deb
rm packages-microsoft-prod.deb

sudo apt-get update; \
  sudo apt-get install -y apt-transport-https && \
  sudo apt-get update && \
  sudo apt-get install -y dotnet-sdk-6.0

4. 安装CMake>3.16，Ubuntu参考链接https://apt.kitware.com/

5. 重启终端，然后安装对应依赖

./scripts/prepare-machine.ps1 -Configuration Dev

6. 使用pwsh命令进入PowerShell，在scripts文件夹下运行build.ps1开始构建

./scripts/build.ps1

7. 测试用例运行

./scripts/test.ps1

运行结果如下：

3. 运行样例

1. 生成证书密钥

openssl req  -nodes -new -x509  -keyout server.key -out server.cert

2. 进入PowerShell，在PowerShell下进入\msquic/artifacts/bin/linux/x64_Debug_openssl目录运行服务器端

./quicsample -server -cert_file:path/server.cert -key_file path/server.key

其中path需要根据自己电脑的情况进行修改

服务器等待客户连接请求：

3. 运行客户端

./quicsample -client -target:127.0.0.1 4567 -unsecure

此时服务器端运行如下：

客户端运行如下：

作者：NP359