QUIC 協議在螞蟻落地綜述

自 2015 年以來，QUIC 協議開始在 IETF 進行標準化並被國內外各大廠商相繼落地。鑑於 QUIC 具備 “0RTT 建聯”、“支持連接遷移” 等諸多優勢，並將成爲下一代互聯網協議：HTTP3.0 的底層傳輸協議，螞蟻集團支付寶客戶端團隊與接入網關團隊於 2018 年下半年開始在移動支付、海外加速等場景落地 QUIC。

本文是綜述篇，介紹 QUIC 在螞蟻的整體落地情況。之所以是綜述，是因爲 QUIC 協議過於複雜，如果對標已有的協議，QUIC 近似等於 HTTP + TLS +TCP，無法詳細的畢其功於一役，因此我們通過綜述的方式將落地的重點呈現給讀者，主要介紹如下幾個部分：

本文也是 QUIC 協議介紹的第一篇，後續我們會把更多的落地細節、體驗優化手段、性能優化手段、安全與高可用、QUIC 新技術等呈現給大家。

【注】螞蟻 QUIC 開發團隊包括：支付寶客戶端團隊的梅男、蒼茫、述言，以及接入網關的伯琴、子荃、毅絲。

QUIC 背景介紹

鑑於讀者的背景可能不同，在開始本文之前，我們先簡單介紹下 QUIC 相關的背景知識，如果您對這個協議的更多設計細節感興趣，可以參見相關 Draft：https://datatracker.ietf.org/wg/quic/documents/

一、QUIC 是什麼？

簡單來說，QUIC (Quick UDP Internet Connections) 是一種基於 UDP 封裝的安全  可靠傳輸協議，他的目標是取代 TCP 並自包含 TLS 成爲標準的安全傳輸協議。下圖是 QUIC 在協議棧中的位置，基於 QUIC 承載的 HTTP 協議進一步被標準化爲 HTTP3.0。

二、爲什麼是 QUIC ？

在 QUIC 出現之前，TCP 承載了 90% 多的互聯網流量，似乎也沒什麼問題，那又爲何會出現革命者 QUIC 呢？這主要是因爲發展了幾十年的 TCP 面臨 “協議僵化問題”，表現在幾方面：

  1. 網絡設備支持 TCP 時的僵化，表現在：對於一些防火牆或者 NAT 等設備，如果 TCP 引入了新的特性，比如增加了某些 TCP OPTION 等，可能會被認爲是攻擊而丟包，導致新特性在老的網絡設備上無法工作。

  2. 網絡操作系統升級困難導致的 TCP 僵化，一些 TCP 的特性無法快速的被演進。

  3. 除此之外，當應用層協議優化到 TLS1.3、 HTTP2.0 後， 傳輸層的優化也提上了議程，QUIC 在 TCP 基礎上，取其精華去其糟粕具有如下的硬核優勢：

三、QUIC 生態圈發展簡史

下圖是 QUIC 從創建到現在爲止的一些比較重要的時間節點，2021 年，QUIC V1 即將成爲 RFC，結束百花齊放的態勢。

介紹完 QUIC 相關背景，之後我們來介紹螞蟻的整個落地的內容，這裏爲了便於闡述，我們用螞蟻 QUIC 的 一、二、三、四 來進行概括總結，即 “一套落地框架”、“兩個落地場景”、“三篇創新專利保護”、“四項關鍵技術”。

一套落地框架

螞蟻的接入網關是基於多進程的 NGINX 開發的 (內部稱爲 Spanner，協議卸載的扳手)，而 UDP 在多進程編程模型上存在諸多挑戰，典型的像無損升級等。爲了設計一套完備的框架，我們在落地前充分考慮了服務端在雲上部署上的方便性、擴展性、以及性能問題，設計瞭如下的落地框架以支撐不同的落地場景：

在這套框架中，包括如下兩個組件：

  1. QUIC LB 組件：基於 NGINX 4 層 UDP Stream 模塊開發，用來基於 QUIC DCID 中攜帶的服務端信息進行路由，以支持連接遷移。

  2. NGINX QUIC 服務器：開發了 NGINX_QUIC_MODULE，每個 Worker 監聽兩種類型的端口：

    （1）BASE PORT ，每個 Worker 使用的相同的端口號，以 Reuseport 的形式監聽，並暴露給 QUIC LB，用以接收客戶端過來的第一個 RTT 中的數據包，這類包的特點是 DCID 由客戶端生成，沒有路由信息。

    （2）Working PORT，每個 Worker 使用的不同的端口號，是真正的工作端口，用以接收第一個 RTT 之後的 QUIC 包，這類包的特定是 DCID 由服務端的進程生成攜帶有服務端的信息。

當前框架支持的能力包括如下：

  1. 在不用修改內核的情況下，完全在用戶態支持 QUIC 的連接遷移，以及連接遷移時 CID 的 Update

  2. 在不用修改內核的情況下，完全在用戶態支持 QUIC 的無損升級以及其他運維問題

  3. 支持真正意義上的 0RTT ，並可提升 0RTT 的比例

爲何能支持上述能力，我們後面會展開敘述

**兩個落地場景
**

我們由近及遠的兩個落地場景如下：

場景一、支付寶移動端落地

如下爲我們落地架構的示意圖，支付寶手機客戶端通過 QUIC 攜帶 HTTP 請求，通過 QUIC LB 等四層網關將請求轉發到 Spanner （螞蟻內部基於 NGINX 開發的 7 層網關），在 Spanner 上我們將 QUIC 請求 Proxy 成 TCP 請求，發送給業務網關（RS）。

具體的方案選型如下：

  1. Backup 模式，即在 TCP 鏈路無法使用的情況下，降級到 QUIC 鏈路。

  2. Smart 模式，即 TCP 和 QUIC 競速，在 TCP 表現力弱於 QUIC 的情況下，下次請求主動使用 QUIC 鏈路。

在此場景下，通過使用 QUIC 可以獲得的紅利包括：

  1. 在客戶端連接發生遷移的時候，可以不斷鏈繼續服務

  2. 客戶端在首次發起連接時，可以節省 TCP 三次握手的時間

  3. 對於弱網情況，QUIC 的傳輸控制可以帶來傳輸性能提升

**場景二、**海外加速落地

螞蟻集團從 2018 年開始自研了海外的動態加速平臺 AGNA（Ant Global Network Accelerator）以替換第三方廠商的加速服務。AGNA 通過在海外部署接入點：Local Proxy(LP) 以及在國內部署接出點：Remote Proxy （RP）的方式，將用戶的海外請求通過 LP 和 RP 的加速鏈路回源國內。如下圖所示，我們將 QUIC 部署在 LP 和 RP 之間的鏈路。

在海外接入點上 (LP)，每一個 TCP 連接都被 Proxy 成 QUIC 上的一個 Stream 進行承載，在國內接出點上 (RP), 每一個 QUIC Stream 又被 Proxy 成一個 TCP 連接，LP 和 RP 之間使用 QUIC 長連接。

在此場景下，通過使用 QUIC 可以獲得的紅利包括：

  1. 通過 QUIC 長連接的上的 Stream 承載 TCP 請求，避免每次的跨海建聯。

  2. 對於跨海的網絡，QUIC 的傳輸控制可以帶來傳輸性能提升。

**三篇關鍵專利
**

到目前爲止，我們把落地過程中一些創新的技術點通過申請專利進行了保護，並積極在 IETF 進行標準化分享我們的研究成果，包括：

專利一

我們將落地場景 2 中，通過 QUIC Stream 進行四層代理的手段來進行海外回源的加速方法進行專利保護，提出：“一種基於 QUIC 協議代理的的鏈路加速方法”，目前此專利已經獲得美國專利授權，專利號：CN110213241A。

專利二

將我們落地框架中的 QUIC LB 組件作爲專利進行保護，提出：“一種無狀態、一致性、分佈式的 QUIC 負載均衡設備”，目前此專利還在受理中。由於通過 QUIC LB 可以很好的支持 QUIC 協議的連接遷移問題，所以目前 IETF QUIC WG 上有關於 QUIC LB 相關的草案，我們目前已經參與到 Draft 的討論和制定中，後序相關的方案也會繼續推廣到雲上產品。

專利三

將我們解決的 UDP 的無損升級方法進行專利保護，提出 “一種 QUIC 服務器無損升級方案”，目前此專利還在受理中。由於 UDP 無損升級問題是一個業界難題，當前有些手段需要在用戶態進行跳轉，性能損失較大，我們的方案可以在我們的落地框架中解決當前問題，關於這個方案的細節我們再後面的關鍵技術中進行介紹。

**四項關鍵技術
**

在整個的落地中，我們設計的方案圍繞解決幾個核心問題展開，形成了四項關鍵技術，分別如下

技術點 1. 優雅的支持連接遷移能力

先說 **連接遷移面臨的問題 ，**上文有提到，QUIC 有一項比較重要的功能是支持連接遷移。這裏的連接遷移是指：如果客戶端在長連接保持的情況下切換網絡，比如從 4G 切換到 Wifi , 或者因爲 NAT Rebinding 導致五元組發生變化，QUIC 依然可以在新的五元組上繼續進行連接狀態。QUIC 之所以能支持連接遷移，一個原因是 QUIC 底層是基於無連接的 UDP，另一個重要原因是因爲 QUIC 使用唯一的 CID 來標識一個連接，而不是五元組。

如下圖所示，是 QUIC 支持連接的一個示意圖，當客戶端出口地址從 A 切換成 B 的時候，因爲 CID 保持不變，所以在 QUIC 服務器上，依然可以查詢到對應的 Session 狀態。

然而，理論很豐滿，落地卻很艱難，在端到端的落地過程中，因爲引入了負載均衡設備，會導致在連接遷移時，所有依賴五元組 Hash 做轉發或者關聯 Session 的機制失效。以 LVS 爲例，連接遷移後， LVS 依靠五元組尋址會導致尋址的服務器存在不一致。即便 LVS 尋址正確，當報文到達服務器時，內核根據五元組關聯進程，依然會尋址出錯。同時，IETF Draft 要求，連接遷移時 CID 需要更新掉，這就爲僅依靠 CID 來轉發的計劃同樣變的不可行。

再說 **我們的解決方法，**爲了解決此問題，我們設計了開篇介紹的落地框架，這裏我們將方案做一些簡化和抽象，整體思路如下圖所示：

  1. 在四層負載均衡上，我們設計了 QUIC LoadBalancer 的機制：

  2. 我們在 QUIC 的 CID 中擴展了一些字段（ServerInfo）用來關聯 QUIC Server 的 IP 和 Working Port 信息。

  3. 在發生連接遷移的時候，QUIC LoadBalancer 可以依賴 CID 中的 ServerInfo 進行路由，避免依賴五元組關聯 Session 導致的問題。

  4. 在 CID 需要 Update 的時候，NewCID 中的 ServerInfo 保留不變，這樣就避免在 CID 發生 Update 時，僅依賴 CID Hash 挑選後端導致的尋址不一致問題。

  5. 在 QUIC 服務器多進程工作模式上，我們突破了 NGINX 固有的多 Worker 監聽在相同端口上的桎梏，設計了多端口監聽的機制，每個 Worker 在工作端口上進行隔離，並將端口的信息攜帶在對 First Initial Packet 的回包的 CID 中，這樣代理的好處是：

  6. 無論是否連接遷移，QUIC LB 都可以根據 ServerInfo，將報文轉發到正確的進程。

  7. 而業界普遍的方案是修改內核，將 Reuse port 機制改爲 Reuse CID 機制，即內核根據 CID 挑選進程。即便後面可以通過 ebpf 等手段支持，但我們認爲這種修改內核的機制對底層過於依賴，不利於方案的大規模部署和運維，尤其在公有云上。

  8. 使用獨立端口，也有利於多進程模式下，UDP 無損升級問題的解決，這個我們在技術點 3 中介紹。

技術點 2. 提升 0RTT 握手比例

這裏先 介紹 QUIC 0RTT 原理。前文我們介紹過， QUIC 支持傳輸層握手和安全加密層握手都在一個 0RTT 內完成。TLS1.3 本身就支持加密層握手的 0RTT，所以不足爲奇。而 QUIC 如何實現傳輸層握手支持 0RTT 呢？我們先看下傳輸層握手的目的，即：服務端校驗客戶端是真正想握手的客戶端，地址不存在欺騙，從而避免僞造源地址攻擊。在 TCP 中，服務端依賴三次握手的最後一個 ACK 來校驗客戶端是真正的客戶端，即只有真正的客戶端纔會收到 Sever 的 syn_ack 並回復。

QUIC 同樣需要對握手的源地址做校驗，否則便會存在 UDP 本身的 DDOS 問題，那 QUIC 是如何實現的？依賴 STK(Source Address Token) 機制。這裏我們先聲明下，跟 TLS 類似，QUIC 的 0RTT 握手，是建立在已經同一個服務器建立過連接的基礎上，所以如果是純的第一次連接，仍然需要一個 RTT 來獲取這個 STK。如下圖所示，我們介紹下這個原理：

  1. 類似於 Session Ticket 原理，Server 會將客戶端的地址和當前的 Timestamp 通過自己的 KEY 加密生成 STK。

  2. Client 下次握手的時候，將 STK 攜帶過來，由於 STK 無法篡改，所以 Server 通過自己的 KEY 解密，如果解出來的地址和客戶端此次握手的地址一致，且時間在有效期內，則表示客戶端可信，便可以建立連接。

  3. 由於客戶端第一次握手的時候，沒有這個 STK，所以服務度會回覆 REJ 這次握手的信息，並攜帶 STK。

理論上說，只要客戶端緩存了這個 STK，下次握手的時候帶過來，服務端便可以直接校驗通過，即實現傳輸層的 0RTT。但是真實的場景卻存在如下兩個問題：

  1. 因爲 STK 是服務端加密的，所以如果下次這個客戶端路由到別的服務器上了，則這個服務器也需要可以識別出來。

  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生了變化，則同樣會導致校驗失敗。此現象在移動端發生的概率非常大，尤其是 IPV6 場景下，客戶端的出口地址會經常發生變化。

再介紹下**我們的解決方法。**第一個問題比較好解，我們只要保證集羣內的機器生成 STK 的祕鑰一致即可。第二個問題，我們的解題思路是：

  1. 我們在 STK 中擴展了一個 Client ID, 這個 Clinet ID 是客戶端通過無線保鏢黑盒生成並全局唯一不變的，類似於一個設備的 SIMID，客戶端通過加密的 Trasnport Parameter 傳遞給服務端，服務端在 STK 中包含這個 ID。

  2. 如果因爲 Client IP 發生變化導致校驗 STK 校驗失敗，便會去校驗 Client ID，因爲 ID 對於一個 Client 是永遠不變的，所以可以校驗成功，當然前提是，這個客戶端是真實的。爲了防止 Client ID 的泄露等，我們會選擇性對 Client ID 校驗能力做限流保護。

技術點 3. 支持 QUIC 無損升級

我們知道 **UDP 無損升級是業界難題。**無損升級是指在 reload 或者更新二進制時，老的進程可以處理完存量連接上的數據後優雅退出。以 NGINX 爲例，這裏先介紹下 TCP 是如何處理無損升級的，主要是如下的兩個步驟：

  1. 老進程先關閉 listening socket，待存量連接請求都結束後，再關閉連接套接字

  2. 新進程從老進程繼承 listening socket , 開始 accept 新的請求

而 UDP 無法做到無損升級是因爲 UDP 只有一個 listening socket 沒有類似 TCP 的連接套接字，所有的收發數據包都在這個 socket 上，導致下面的熱升級步驟會存在問題：

  1. 在熱升級的時候，old process fork 出 new process 後，new process 會繼承 listening socket 並開始 recv msg。

  2. 而 old process 此時如果關閉 listenging socket， 則在途的數據包便無法接收，達不到優雅退出的目的。

  3. 而如果繼續監聽，則新老進程都會同時收取新連接上的報文，導致老進程無法退出。

這裏介紹下**相關的解決方法。**針對此問題，業界有一些方法，比如：在數據包中攜帶進程號，當數據包收發錯亂後，在新老進程之間做一次轉發。考慮到接入層上的性能等原因，我們不希望數據再做一次跳轉。結合我們的落地架構，我們設計瞭如下的 基於多端口輪轉的無損升級方案，簡單來說，我們讓新老進程監聽在不同的端口組並攜帶在 CID 中，這樣 QUIC LB 就可以根據端口轉發到新老進程。爲了便於運維，我們採用端口輪轉的方式，新老進程會在 reload N 次之後，重新開始之前選中的端口。如下圖所示：

  1. 無損升級期間，老進程的 Baseport 端口關閉，這樣不會再接受 first intial packet, 類似於關閉了 tcp 的 listening socket。

  2. 老進程的工作端口，繼續工作，用來接收當前進程上殘餘的流量。

  3. 新進程的 Baseport 開始工作，用來接收 first initial packet, 開啓新的連接，類似於開啓了 tcp 的 listening socket。

  4. 新進程的 working port = (I + 1) mod N,  N 是指同時支持新老進程的狀態的次數，例如 N = 4， 表示可以同時 reload 四次，四種 Old, New1, New2, New3 四種狀態同時並存，I 是上一個進程工作的端口號，這裏 + 1 是因爲只有一個 worker, 如果 worker 數有 M 個，則加 M。

  5. 建好的連接便被 Load Balancer 轉移到新進程的監聽端口的 Working Port 上。

技術點 4. 客戶端智能選路

儘管落地 QUIC 的願望是好的，但是新事物的發展並不是一帆風順的。由於 QUIC 是基於 UDP 的，而 UDP 相比於 TCP 在運營商的支持上並非友好，表現在：

  1. 在帶寬緊張的時候，UDP 會經常被限流。

  2. 一些防火牆對於 UDP 包會直接 Drop。

  3. NAT 網關針對 UDP 的 Session 存活時間也較短。

同時，根據觀察發現，不同的手機廠商對於 UDP 的支持能力也不同，所以在落地過程中，如果盲目的將所有流量完全切爲 QUIC 可能會導致一些難以預料的結果。爲此，我們在客戶端上，設計了開篇介紹的 TCP 和 QUIC 相互 Backup 的鏈路，如下圖所示，我們實時探測 TCP 鏈路和 QUIC 鏈路的 RTT、丟包率、請求完成時間、錯誤率等指標情況，並根據一定的量化方法對兩種鏈路進行打分，根據評分高低，決定選擇走哪種鏈路，從而避免尋址只走一條鏈路導致的問題。

**做個總結
**

本文主要綜述性的介紹了 QUIC 在螞蟻的落地方案、場景以及一些關鍵技術。關鍵技術上，主要介紹了我們如何通過創造性的提出 QUIC LB 組件、以及多端口監聽的機制來優雅的支持 QUIC 的連接遷移機制、QUIC 服務端的無損升級等，依賴這套方案我們的接入網關不需要像業界一樣依賴底層內核的改動，這極大的方便了我們方案的部署，尤其在公有云場景下。除了連接遷移以外，我們還提出了 0RTT 建聯提升方案、客戶端智能選路方案，以最大化 QUIC 在移動端上的收益。截止當前，QUIC 已經在支付寶移動端以及全球加速鏈路兩個場景上平穩運行，並帶來了較好的業務收益。

**未來規劃
**

兩年來，我們主要以社區的 gQuic 爲基礎，充分發揮 QUIC 的協議優勢，並結合螞蟻的業務特徵以最大化移動端收益爲目標，創造性的提出了一些解決方案，並積極向社區和 IETF 進行推廣。在未來，隨着螞蟻在更多業務上的開展和探索以及 HTTP3.0/QUIC 即將成爲標準，我們會主要圍繞以下幾個方向繼續深挖 QUIC 的價值：

  1. 我們將利用 QUIC 在應用層實現的優勢，設計一套統一的具備自適應業務類型和網絡類型的 QUIC 傳輸控制框架，對不同類型的業務和網絡類型，做傳輸上的調優，以優化業務的網絡傳輸體驗。

  2. 將 gQUIC 切換成 IETF QUIC，推進標準的 HTTP3.0 在螞蟻的進一步落地。

  3. 將螞蟻的 QUIC LB 技術點向 IETF QUIC LB 進行推進，並最終演變爲標準的 QUIC LB。

  4. 探索並落地 MPQUIC（多路徑 QUIC） 技術，最大化在移動端的收益。

  5. 繼續 QUIC 的性能優化工作，使用 UDP GSO， eBPF，io_uring 等內核技術。

  6. 探索 QUIC 在內網承載東西向流量的機會。

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來源：https://mp.weixin.qq.com/s/PEfz04LHOjVrZK6K45OgzA

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