自 2015 年以來(lái)，QUIC 協(xié)議開始在 IETF 進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化并被國(guó)內(nèi)外各大廠商相繼落地。鑒于 QUIC 具備“0RTT 建聯(lián)”、“支持連接遷移”等諸多優(yōu)勢(shì)，并將成為下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議：HTTP3.0 的底層傳輸協(xié)議，螞蟻集團(tuán)支付寶客戶端團(tuán)隊(duì)與接入網(wǎng)關(guān)團(tuán)隊(duì)于 2018 年下半年開始在移動(dòng)支付、海外加速等場(chǎng)景落地 QUIC。

• QUIC背景：簡(jiǎn)單全面的介紹下 QUIC 相關(guān)的背景知識(shí)

  
  

• 方案選型設(shè)計(jì)：詳細(xì)介紹螞蟻的落地方案如何另辟蹊徑、優(yōu)雅的支撐 QUIC 的諸多特性，包括連接遷移等

  
  

• 落地場(chǎng)景：介紹 QUIC 在螞蟻的兩個(gè)落地場(chǎng)景，包括：支付寶客戶端鏈路以及海外加速鏈路

  
  

• 幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：介紹落地 QUIC 過(guò)程中核心需要解決的問(wèn)題，以及我們使用的方案，包括：“支持連接遷移”、“提升 0RTT 比例"， "支持 UDP 無(wú)損升級(jí)”以及“客戶端智能選路” 等

  
  

• 幾項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)專利

  
  

一、QUIC 是什么？

二、為什么是 QUIC ？

1. 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支持 TCP 時(shí)的僵化，表現(xiàn)在：對(duì)于一些防火墻或者 NAT 等設(shè)備，如果 TCP 引入了新的特性，比如增加了某些 TCP OPTION 等，可能會(huì)被認(rèn)為是攻擊而丟包，導(dǎo)致新特性在老的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上無(wú)法工作。
2. 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)升級(jí)困難導(dǎo)致的 TCP 僵化，一些 TCP 的特性無(wú)法快速的被演進(jìn)。
3. 除此之外，當(dāng)應(yīng)用層協(xié)議優(yōu)化到 TLS1.3、 HTTP2.0 后， 傳輸層的優(yōu)化也提上了議程，QUIC 在 TCP 基礎(chǔ)上，取其精華去其糟粕具有如下的硬核優(yōu)勢(shì)：

   
   

三、QUIC 生態(tài)圈發(fā)展簡(jiǎn)史

1. QUIC LB 組件：基于 NGINX 4層 UDP Stream 模塊開發(fā)，用來(lái)基于 QUIC DCID 中攜帶的服務(wù)端信息進(jìn)行路由，以支持連接遷移。
2. NGINX QUIC 服務(wù)器：開發(fā)了 NGINX_QUIC_MODULE，每個(gè) Worker 監(jiān)聽(tīng)兩種類型的端口：（1）BASE PORT ，每個(gè) Worker 使用的相同的端口號(hào)，以 Reuseport 的形式監(jiān)聽(tīng)，并暴露給 QUIC LB，用以接收客戶端過(guò)來(lái)的第一個(gè) RTT 中的數(shù)據(jù)包，這類包的特點(diǎn)是 DCID 由客戶端生成，沒(méi)有路由信息。（2）Working PORT，每個(gè) Worker 使用的不同的端口號(hào)，是真正的工作端口，用以接收第一個(gè) RTT 之后的 QUIC 包，這類包的特定是 DCID 由服務(wù)端的進(jìn)程生成攜帶有服務(wù)端的信息。

   
   

1. 在不用修改內(nèi)核的情況下，完全在用戶態(tài)支持 QUIC 的連接遷移，以及連接遷移時(shí) CID 的 Update
2. 在不用修改內(nèi)核的情況下，完全在用戶態(tài)支持 QUIC 的無(wú)損升級(jí)以及其他運(yùn)維問(wèn)題
3. 支持真正意義上的 0RTT ，并可提升 0RTT 的比例

• 支持的 QUIC 版本是 gQUIC Q46。
• NGINX QUIC MODULE 支持 QUIC 的接入和 PROXY 成 TCP 的能力。
• 支持包括移動(dòng)支付、基金、螞蟻森林在內(nèi)的所有的 RPC 請(qǐng)求。
• 當(dāng)前選擇 QUIC 鏈路的方式有兩種 ：

1. Backup 模式，即在 TCP 鏈路無(wú)法使用的情況下，降級(jí)到 QUIC 鏈路。
2. Smart 模式，即 TCP和 QUIC 競(jìng)速，在 TCP 表現(xiàn)力弱于 QUIC 的情況下，下次請(qǐng)求主動(dòng)使用 QUIC 鏈路。

1. 在客戶端連接發(fā)生遷移的時(shí)候，可以不斷鏈繼續(xù)服務(wù)
2. 客戶端在首次發(fā)起連接時(shí)，可以節(jié)省 TCP 三次握手的時(shí)間
3. 對(duì)于弱網(wǎng)情況，QUIC 的傳輸控制可以帶來(lái)傳輸性能提升

   
   

1. 通過(guò) QUIC 長(zhǎng)連接的上的 Stream 承載 TCP 請(qǐng)求，避免每次的跨海建聯(lián)。
2. 對(duì)于跨海的網(wǎng)絡(luò)，QUIC 的傳輸控制可以帶來(lái)傳輸性能提升。

專利一

專利二

專利三

技術(shù)點(diǎn)1.優(yōu)雅的支持連接遷移能力

先說(shuō) 連接遷移面臨的問(wèn)題 ，上文有提到，QUIC 有一項(xiàng)比較重要的功能是支持連接遷移。這里的連接遷移是指：如果客戶端在長(zhǎng)連接保持的情況下切換網(wǎng)絡(luò)，比如從 4G 切換到 Wifi , 或者因?yàn)?NAT Rebinding 導(dǎo)致五元組發(fā)生變化，QUIC 依然可以在新的五元組上繼續(xù)進(jìn)行連接狀態(tài)。

QUIC 之所以能支持連接遷移，一個(gè)原因是 QUIC 底層是基于無(wú)連接的 UDP，另一個(gè)重要原因是因?yàn)?QUIC 使用唯一的 CID 來(lái)標(biāo)識(shí)一個(gè)連接，而不是五元組。

再說(shuō) 我們的解決方法，為了解決此問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了開篇介紹的落地框架，這里我們將方案做一些簡(jiǎn)化和抽象，整體思路如下圖所示：

1. 在四層負(fù)載均衡上，我們?cè)O(shè)計(jì)了 QUIC LoadBalancer 的機(jī)制：

1. 我們?cè)?QUIC 的 CID 中擴(kuò)展了一些字段（ServerInfo）用來(lái)關(guān)聯(lián) QUIC Server 的 IP 和 Working Port 信息。
2. 在發(fā)生連接遷移的時(shí)候，QUIC LoadBalancer 可以依賴 CID 中的 ServerInfo 進(jìn)行路由，避免依賴五元組關(guān)聯(lián) Session 導(dǎo)致的問(wèn)題。
3. 在 CID 需要 Update 的時(shí)候，NewCID 中的 ServerInfo 保留不變，這樣就避免在 CID 發(fā)生 Update 時(shí)，僅依賴 CID Hash 挑選后端導(dǎo)致的尋址不一致問(wèn)題。

   
   

1. 在 QUIC 服務(wù)器多進(jìn)程工作模式上，我們突破了 NGINX 固有的多 Worker 監(jiān)聽(tīng)在相同端口上的桎梏，設(shè)計(jì)了多端口監(jiān)聽(tīng)的機(jī)制，每個(gè) Worker 在工作端口上進(jìn)行隔離，并將端口的信息攜帶在對(duì) First Initial Packet 的回包的 CID 中，這樣代理的好處是：

1. 無(wú)論是否連接遷移，QUIC LB 都可以根據(jù) ServerInfo，將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)到正確的進(jìn)程。
2. 而業(yè)界普遍的方案是修改內(nèi)核，將 Reuse port 機(jī)制改為 Reuse CID 機(jī)制，即內(nèi)核根據(jù) CID 挑選進(jìn)程。即便后面可以通過(guò) ebpf 等手段支持，但我們認(rèn)為這種修改內(nèi)核的機(jī)制對(duì)底層過(guò)于依賴，不利于方案的大規(guī)模部署和運(yùn)維，尤其在公有云上。
3. 使用獨(dú)立端口，也有利于多進(jìn)程模式下，UDP 無(wú)損升級(jí)問(wèn)題的解決，這個(gè)我們?cè)诩夹g(shù)點(diǎn) 3 中介紹。

   
   

這里先 介紹 QUIC 0RTT 原理。前文我們介紹過(guò)， QUIC 支持傳輸層握手和安全加密層握手都在一個(gè) 0RTT 內(nèi)完成。TLS1.3 本身就支持加密層握手的 0RTT，所以不足為奇。而 QUIC 如何實(shí)現(xiàn)傳輸層握手支持 0RTT 呢？

我們先看下傳輸層握手的目的，即：服務(wù)端校驗(yàn)客戶端是真正想握手的客戶端，地址不存在欺騙，從而避免偽造源地址攻擊。在 TCP 中，服務(wù)端依賴三次握手的最后一個(gè) ACK 來(lái)校驗(yàn)客戶端是真正的客戶端，即只有真正的客戶端才會(huì)收到 Sever 的 syn_ack 并回復(fù)。

1. 類似于 Session Ticket 原理，Server 會(huì)將客戶端的地址和當(dāng)前的 Timestamp 通過(guò)自己的 KEY 加密生成 STK。
2. Client 下次握手的時(shí)候，將 STK 攜帶過(guò)來(lái)，由于 STK 無(wú)法篡改，所以 Server 通過(guò)自己的 KEY 解密，如果解出來(lái)的地址和客戶端此次握手的地址一致，且時(shí)間在有效期內(nèi)，則表示客戶端可信，便可以建立連接。
3. 由于客戶端第一次握手的時(shí)候，沒(méi)有這個(gè) STK，所以服務(wù)度會(huì)回復(fù) REJ 這次握手的信息，并攜帶 STK。

   
   

1. 因?yàn)?STK 是服務(wù)端加密的，所以如果下次這個(gè)客戶端路由到別的服務(wù)器上了，則這個(gè)服務(wù)器也需要可以識(shí)別出來(lái)。

   
   

2. STK 中 encode 的是上一次客戶端的地址，如果下一次客戶端攜帶的地址發(fā)生了變化，則同樣會(huì)導(dǎo)致校驗(yàn)失敗。此現(xiàn)象在移動(dòng)端發(fā)生的概率非常大，尤其是 IPV6 場(chǎng)景下，客戶端的出口地址會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化。

再介紹下我們的解決方法。第一個(gè)問(wèn)題比較好解，我們只要保證集群內(nèi)的機(jī)器生成 STK 的秘鑰一致即可。第二個(gè)問(wèn)題，我們的解題思路是：

1. 我們?cè)?STK 中擴(kuò)展了一個(gè) Client ID, 這個(gè) Clinet ID 是客戶端通過(guò)無(wú)線保鏢黑盒生成并全局唯一不變的，類似于一個(gè)設(shè)備的 SIMID，客戶端通過(guò)加密的 Trasnport Parameter 傳遞給服務(wù)端，服務(wù)端在 STK 中包含這個(gè) ID。
2. 如果因?yàn)?Client IP 發(fā)生變化導(dǎo)致校驗(yàn) STK 校驗(yàn)失敗，便會(huì)去校驗(yàn) Client ID，因?yàn)?ID 對(duì)于一個(gè) Client 是永遠(yuǎn)不變的，所以可以校驗(yàn)成功，當(dāng)然前提是，這個(gè)客戶端是真實(shí)的。為了防止 Client ID 的泄露等，我們會(huì)選擇性對(duì) Client ID 校驗(yàn)?zāi)芰ψ鱿蘖鞅Ｗo(hù)。

   
   

技術(shù)點(diǎn)3. 支持 QUIC 無(wú)損升級(jí)

我們知道 UDP 無(wú)損升級(jí)是業(yè)界難題。無(wú)損升級(jí)是指在 reload 或者更新二進(jìn)制時(shí)，老的進(jìn)程可以處理完存量連接上的數(shù)據(jù)后優(yōu)雅退出。以 NGINX 為例，這里先介紹下 TCP 是如何處理無(wú)損升級(jí)的，主要是如下的兩個(gè)步驟：

1. 老進(jìn)程先關(guān)閉 listening socket，待存量連接請(qǐng)求都結(jié)束后，再關(guān)閉連接套接字
2. 新進(jìn)程從老進(jìn)程繼承 listening socket , 開始 accept 新的請(qǐng)求

   
   

1. 在熱升級(jí)的時(shí)候，old process fork 出 new process 后，new process 會(huì)繼承 listening socket 并開始 recv msg。
2. 而 old process 此時(shí)如果關(guān)閉 listenging socket， 則在途的數(shù)據(jù)包便無(wú)法接收，達(dá)不到優(yōu)雅退出的目的。
3. 而如果繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)，則新老進(jìn)程都會(huì)同時(shí)收取新連接上的報(bào)文，導(dǎo)致老進(jìn)程無(wú)法退出。

   
   

   
   

這里介紹下相關(guān)的解決方法。針對(duì)此問(wèn)題，業(yè)界有一些方法，比如：在數(shù)據(jù)包中攜帶進(jìn)程號(hào)，當(dāng)數(shù)據(jù)包收發(fā)錯(cuò)亂后，在新老進(jìn)程之間做一次轉(zhuǎn)發(fā)?？紤]到接入層上的性能等原因，我們不希望數(shù)據(jù)再做一次跳轉(zhuǎn)。

結(jié)合我們的落地架構(gòu)，我們?cè)O(shè)計(jì)了如下的 基于多端口輪轉(zhuǎn)的無(wú)損升級(jí)方案，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，我們讓新老進(jìn)程監(jiān)聽(tīng)在不同的端口組并攜帶在 CID 中，這樣 QUIC LB 就可以根據(jù)端口轉(zhuǎn)發(fā)到新老進(jìn)程。為了便于運(yùn)維，我們采用端口輪轉(zhuǎn)的方式，新老進(jìn)程會(huì)在 reload N 次之后，重新開始之前選中的端口。如下圖所示：

1. 無(wú)損升級(jí)期間，老進(jìn)程的 Baseport 端口關(guān)閉，這樣不會(huì)再接受 first intial packet, 類似于關(guān)閉了 tcp 的 listening socket。
2. 老進(jìn)程的工作端口，繼續(xù)工作，用來(lái)接收當(dāng)前進(jìn)程上殘余的流量。
3. 新進(jìn)程的 Baseport 開始工作，用來(lái)接收 first initial packet, 開啟新的連接，類似于開啟了 tcp 的 listening socket。
4. 新進(jìn)程的 working port = (I 1) mod N,  N 是指同時(shí)支持新老進(jìn)程的狀態(tài)的次數(shù)，例如 N = 4， 表示可以同時(shí) reload 四次，四種 Old, New1, New2, New3 四種狀態(tài)同時(shí)并存，I 是上一個(gè)進(jìn)程工作的端口號(hào)，這里 1 是因?yàn)橹挥幸粋€(gè) worker, 如果 worker 數(shù)有 M 個(gè)，則加 M。

   
   

5. 建好的連接便被 Load Balancer 轉(zhuǎn)移到新進(jìn)程的監(jiān)聽(tīng)端口的 Working Port 上。

   
   

   
   

1. 在帶寬緊張的時(shí)候，UDP 會(huì)經(jīng)常被限流。
2. 一些防火墻對(duì)于 UDP 包會(huì)直接 Drop。
3. NAT 網(wǎng)關(guān)針對(duì) UDP 的 Session 存活時(shí)間也較短。

1. 我們將利用 QUIC 在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)一套統(tǒng)一的具備自適應(yīng)業(yè)務(wù)類型和網(wǎng)絡(luò)類型的 QUIC 傳輸控制框架，對(duì)不同類型的業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)類型，做傳輸上的調(diào)優(yōu)，以優(yōu)化業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸體驗(yàn)。
2. 將 gQUIC 切換成 IETF QUIC，推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的 HTTP3.0 在螞蟻的進(jìn)一步落地。
3. 將螞蟻的 QUIC LB 技術(shù)點(diǎn)向 IETF QUIC LB 進(jìn)行推進(jìn)，并最終演變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的 QUIC LB。
4. 探索并落地 MPQUIC（多路徑 QUIC） 技術(shù)，最大化在移動(dòng)端的收益。
5. 繼續(xù) QUIC 的性能優(yōu)化工作，使用 UDP GSO， eBPF，io_uring 等內(nèi)核技術(shù)。
6. 探索 QUIC 在內(nèi)網(wǎng)承載東西向流量的機(jī)會(huì)。

作者：孔令濤

來(lái)源：金融級(jí)分布式架構(gòu)公眾號(hào)