s2n-quic: 终于有一个比较好用的 QUIC 实现了

QUIC 是一种为性能而设计的加密传输协议，它是尚处在襁褓之中的 HTTP/3（最新是 draft-34）的基础。根据维基百科的资料显示，QUIC 在 2012 年就被部署到 Google 内部，并于 2013 年对外发布。2021 年 5 月，IETF 在 RFC 9000 中对 QUIC 的基本功能进行了标准化，并在 RFC 9001 中标准化了如何使用 TLS 保护 QUIC，以及 RFC 9002 中标准化了 QUIC 的拥塞控制。QUIC 通过使用在 QUIC 传输中承载的通过 TLS 建立的加密和身份验证密钥来保护其 UDP 数据报文。它旨在通过提供改进的首字节延迟，多路复用，以及解决诸如线头阻塞、移动性和数据丢失检测等问题来改进 TCP。

我们知道，即便在 TLS 1.3 中改进了握手的效率，一个 HTTPS（TCP + TLS）完整的握手过程需要 2 个 roundtrip，包括 TCP 三次握手头两个包 SYN - SYN/ACK 一个 roundtrip，以及后续的 ACK/HELLO - ACK/HELLO/CERT/Finished 一个 roundtrip：

所以，Web 应用的延迟还是非常可观。如果使用 QUIC，QUIC/TLS 握手可以同步进行，于是可以省掉 TCP 三次握手的一次 roundtrip，一个 roundtrip 就可以建立安全的加密信道：

这就使得 Web 应用程序能够更快地执行，尤其是在网络较差的情况下。

除了更短的延迟外，QUIC 还有一个很重要的特性是传输层的多路复用，也就是在同一个连接中打开多个互不干扰的 stream（流）。以前我们要支持多路复用，需要 TCP + Yamux，现在可以用 QUIC 更高效地在传输层完成这个功能，解决了队头阻塞的问题。

s2n-quic 是什么？

上周 Amazon 开源了 s2n-quic 这个 QUIC 协议的软件包。s2n-quic 用 Rust 撰写，可见 Amazon/AWS 对 Rust 不断投入的决心。s2n 这个名字是Signal to Noise 的缩写，是对我们生活中无处不在的信息加密的致敬 —— 因为加密是一种将有意义的信号（Signal）伪装成看似随机的噪声（Noise）的行为。Amazon 有好几个 s2n 打头的开源软件，包括 s2n-tls 和 s2n-bignum。s2n-tls 是用 C 撰写的 TLS 实现，它被 s2n-quic 默认使用（s2n-quic 也可以用 Rustls）。

别看 Rust 是一门相对年轻的语言，但很多新兴的基础领域的代码，都在用 Rust 撰写。比如哈希算法中比较新的 blake3，就是用 Rust 撰写并移植到其它语言。对于 QUIC 来说，Rust 下已经有了 Cloudflare 的 quiche，社区开发的 quinn，还有今天发布的 s2n-quic。三者中 s2n-quic 的接口最为易用，非常值得一试。

如何使用 s2n-quic？

我们看如何实现一个简单的 echo clien/server。首先是服务器实现：

#[tokio::main]
async fn main() -> Result<(), Box<dyn Error>> {
    let mut listener = Server::builder()
        .with_tls((CERT_PEM, KEY_PEM))?
        .with_io("127.0.0.1:4433")?
        .start()?;

    while let Some(mut conn) = listener.accept().await {
        // spawn a new task for the connection
        tokio::spawn(async move {
            eprintln!("Connection accepted from {:?}", conn.remote_addr());

            while let Ok(Some(mut stream)) =  conn.accept_bidirectional_stream().await {
                // spawn a new task for the stream
                tokio::spawn(async move {
                    eprintln!("Stream opened from {:?}", stream.connection().remote_addr());

                    // echo any data back to the stream
                    while let Ok(Some(data)) = stream.receive().await {
                        stream.send(data).await.expect("stream should be open");
                    }
                });
            }
        });
    }

    Ok(())
}

这和 Tokio TCP 的使用方法几乎一样，比 Tokio TCP + TLS 还要简单一些。值得注意的是，由于 QUIC 支持多路复用，所以 accept 一个 conn 之后，这个 conn 并不是一个 Stream，而是需要进一步调用 conn.accept_bidirectional_stream() 得到一个可以收发数据的 stream。

客户端的实现也非常类似：

#[tokio::main]
async fn main() -> Result<(), Box<dyn Error>> {
    let client = Client::builder()
        .with_tls(CERT_PEM)?
        .with_io("0.0.0.0:0")?
        .start()?;

    let addr: SocketAddr = "127.0.0.1:4433".parse()?;
    let connect = Connect::new(addr).with_server_name("localhost");
    let mut conn = client.connect(connect).await?;

    // ensure the connection doesn't time out with inactivity
    conn.keep_alive(true)?;

    // open a new stream and split the receiving and sending sides
    let stream = conn.open_bidirectional_stream().await?;
    let (mut rx, mut tx) = stream.split();

    // spawn a task that copies responses from the server to stdout
    tokio::spawn(async move {
        let mut stdout = tokio::io::stdout();
        let _ = tokio::io::copy(&mut rx, &mut stdout).await;
    });

    // copy data from stdin and send it to the server
    let mut stdin = tokio::io::stdin();
    tokio::io::copy(&mut stdin, &mut tx).await?;

    Ok(())
}

注意这里 client 和 conn 是分开的概念，一个 client 可以建立多个 conn。然后一个 conn 又可以打开多个 stream 进行收发。

在体验了简单的 echo client/server 后，我感觉 s2n-quic 把 QUIC 协议的使用门槛大大降低，我们可以用和处理 TCP client/server 相同结构的代码，来处理 QUIC。

为了进一步体验 QUIC 和已有项目的结合，我尝试着把我之前为极客时间的《Rust 第一课》做的示范性的类似 redis 的 kv server（github 下 tyrchen/simple-kv）添加了 QUIC 的支持。我发现，只消添加两三百行代码，我的 simple-kv 就能很好地在已有支持 TCP + TLS + Yamux 的基础上，扩展支持 QUIC。如果你感兴趣的话，可以去看看那个 repo，代码我已提交。

如果你觉得文字描述代码比较生硬，你也可以去 B 站看我的视频。我做了两个关于 s2n-quic 的视频，周二晚和周四晚会发布在合集 —— Rust crate 大巡礼 中。