QUIC协议分析（基于aioquic）

[cheungwaichun]

1.QUIC协议简介

        QUIC是一个通用的传输层网络协议，全称quick udp internet connection（快速 UDP 互联网连接），最初由Google的Jim Roskind设计，在2013年公开发布。它是一个使用udp进行多路并发传输的协议。根据资料，在从Chrome浏览器到Google服务器的所有连接中，超过一半的连接都使用了QUIC，而且Microsoft Edge、Firefox和Safari等都提供了对QUIC的支持。

1.1 QUIC的优势

       基于TCP和TLS的HTTPS（1.1&2.0）协议，存在完整握手流程过长（首次连接≥3-RTT，握手缓存后2-RTT）；在弱网环境中存在TCP和TLS双重阻塞，无法实现真正多路复用等问题。QUIC基于UDP实现， 缩短了握手流程，实现了真正的多路复用，并具有改进的拥塞控制机制、前向冗余纠错等优良特性。

1.2 QUIC协议栈：

1.3 握手流程对比：

1.4 真正的多路复用：

 

2. aioquic的部署

       aioquic是一个用python实现的QUIC网络库。

实验环境：

操作系统：ubuntu 20.04

Python版本：3.8.10

步骤：

安装ubuntu的libssl-dev库

$ sudo apt install libssl-dev python3-dev

安装python的aioquic库

$ pip install aioquic

获取aioquic例程源码

$ git clone https://github.com/aiortc/aioquic.git

运行示例服务器

$ python examples/http3_server.py --certificate tests/ssl_cert.pem --private-key tests/ssl_key.pem

运行示例客户端，发出HTTP/3请求：

$ python examples/http3_client.py --ca-certs tests/pycacert.pem https://localhost:4433/

也可以执行HTTP/0.9请求

$ python examples/http3_client.py --ca-certs tests/pycacert.pem --legacy-http https://localhost:4433/

或者通过websocket连接

$ python examples/http3_client.py --ca-certs tests/pycacert.pem wss://localhost:4433/ws

 

3. 源码分析

3.1 服务端http3_server.py

3.1.1 HttpRequestHandler类

       负责处理收到的请求。receive方法从队列取出一个请求，send方法向client发出响应。

3.1.2 WebSocketHandler类

       用于在建立了websocket连接的情况下处理请求；若仍未建立websocket连接，则暂不处理，将event请求加入队列。

3.1.3 HttpServerProtocol类

       根据不同的协议建立连接。同时支持HTTP/0.9和HTTP/3协议，上面的部署部分曾分别用这两种协议与server建立了连接。

3.1.4 SessionTicketStore类

        缓存连接状态，便于连接中断后的快速恢复。

 

3.2 客户端http3_client.py

3.2.1 HttpClient类

        请求方式有get和post两种，除此之外，还提供了通过websocket进行连接的支持。QuicEvent是转到http层进行处理的。

 

3.3 aioquic库的src代码

       packet（包）内包括头部（Header）和若干Frame（帧）。Header结构：

Frame（帧）的可选类型：

通过QuicPacketBuilder类中的方法，将若干个Frame组装起来，最后加上Header信息组成一个完整的QUIC包：

QUIC的Stream（流）结构，具有send part 和 receive part。不同的流通过id区分：

connection.py则是QUIC连接层面的操作的实现代码，实现了建立连接（通过handshake frame）、维护连接状态、通过连接传送数据、流量控制等功能。

 

 

作者：NP554