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基于.NET 7 的 QUIC 实现 Echo 服务的详细过程

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前言

随着今年6月份的 HTTP/3 协议的正式发布，它背后的网络传输协议 QUIC，凭借其高效的传输效率和多路并发的能力，也大概率会取代我们熟悉的使用了几十年的 TCP，成为互联网的下一代标准传输协议。

在去年 .NET 6 发布的时候，已经可以看到 HTTP/3 和 Quic 支持的相关内容了，但是当时 HTTP/3 的 RFC 还没有定稿，所以也只是预览功能，而 Quic 的 API 也没有在 .NET 6 中公开。

在最新的 .NET 7 中，.NET 团队公开了 Quic API，它是基于 MSQuic 库来实现的 ， 提供了开箱即用的支持，命名空间为 System.Net.Quic。

Quic API

下面的内容中，我会介绍如何在 .NET 中使用 Quic。

下面是 System.Net.Quic 命名空间下，比较重要的几个类。

QuicConnection

表示一个 QUIC 连接，本身不发送也不接收数据，它可以打开或者接收多个QUIC 流。

QuicListener

用来监听入站的 Quic 连接，一个 QuicListener 可以接收多个 Quic 连接。

QuicStream

表示 Quic 流，它可以是单向的 （QuicStreamType.Unidirectional），只允许创建方写入数据，也可以是双向的（QuicStreamType.Bidirectional），它允许两边都可以写入数据。

小试牛刀

下面是一个客户端和服务端应用使用 Quic 通信的示例。

1.分别创建了 QuicClient 和 QuicServer 两个控制台程序。

项目的版本为 .NET 7， 并且设置 EnablePreviewFeatures = true。

下面创建了一个 QuicListener，监听了本地端口 9999，指定了 ALPN 协议版本。

Console.WriteLine("Quic Server Running...");

// 创建 QuicListener
var listener = await QuicListener.ListenAsync(new QuicListenerOptions
{ 
    ApplicationProtocols = new List<SslApplicationProtocol> { SslApplicationProtocol.Http3  },
    ListenEndPoint = new IPEndPoint(IPAddress.Loopback,9999), 
    ConnectionOptionsCallback = (connection,ssl, token) => ValueTask.FromResult(new QuicServerConnectionOptions()
    {
        DefaultStreamErrorCode = 0,
        DefaultCloseErrorCode = 0,
        ServerAuthenticationOptions = new SslServerAuthenticationOptions()
        {
            ApplicationProtocols = new List<SslApplicationProtocol>() { SslApplicationProtocol.Http3 },
            ServerCertificate = GenerateManualCertificate()
        }
    }) 
});

因为 Quic 需要 TLS 加密，所以要指定一个证书，GenerateManualCertificate 方法可以方便地创建一个本地的测试证书。

X509Certificate2 GenerateManualCertificate()
{
    X509Certificate2 cert = null;
    var store = new X509Store("KestrelWebTransportCertificates", StoreLocation.CurrentUser);
    store.Open(OpenFlags.ReadWrite);
    if (store.Certificates.Count > 0)
    {
        cert = store.Certificates[^1];

        // rotate key after it expires
        if (DateTime.Parse(cert.GetExpirationDateString(), null) < DateTimeOffset.UtcNow)
        {
            cert = null;
        }
    }
    if (cert == null)
    {
        // generate a new cert
        var now = DateTimeOffset.UtcNow;
        SubjectAlternativeNameBuilder sanBuilder = new();
        sanBuilder.AddDnsName("localhost");
        using var ec = ECDsa.Create(ECCurve.NamedCurves.nistP256);
        CertificateRequest req = new("CN=localhost", ec, HashAlgorithmName.SHA256);
        // Adds purpose
        req.CertificateExtensions.Add(new X509EnhancedKeyUsageExtension(new OidCollection
        {
            new("1.3.6.1.5.5.7.3.1") // serverAuth

        }, false));
        // Adds usage
        req.CertificateExtensions.Add(new X509KeyUsageExtension(X509KeyUsageFlags.DigitalSignature, false));
        // Adds subject alternate names
        req.CertificateExtensions.Add(sanBuilder.Build());
        // Sign
        using var crt = req.CreateSelfSigned(now, now.AddDays(14)); // 14 days is the max duration of a certificate for this
        cert = new(crt.Export(X509ContentType.Pfx));

        // Save
        store.Add(cert);
    }
    store.Close();

    var hash = SHA256.HashData(cert.RawData);
    var certStr = Convert.ToBase64String(hash);
    //Console.WriteLine($"\n\n\n\n\nCertificate: {certStr}\n\n\n\n"); // <-- you will need to put this output into the JS API call to allow the connection
    return cert;
}

阻塞线程，直到接收到一个 Quic 连接，一个 QuicListener 可以接收多个 连接。

var connection = await listener.AcceptConnectionAsync();

Console.WriteLine($"Client [{connection.RemoteEndPoint}]: connected");

接收一个入站的 Quic 流, 一个 QuicConnection 可以支持多个流。

var stream = await connection.AcceptInboundStreamAsync();

Console.WriteLine($"Stream [{stream.Id}]: created");

接下来，使用 System.IO.Pipeline 处理流数据，读取行数据，并回复一个 ack 消息。

Console.WriteLine();

await ProcessLinesAsync(stream);

Console.ReadKey();      

// 处理流数据
async Task ProcessLinesAsync(QuicStream stream)
{
    var reader = PipeReader.Create(stream);  
    var writer = PipeWriter.Create(stream);

    while (true)
    {
        ReadResult result = await reader.ReadAsync();
        ReadOnlySequence<byte> buffer = result.Buffer;

        while (TryReadLine(ref buffer, out ReadOnlySequence<byte> line))
        {
            // 读取行数据
            ProcessLine(line);

            // 写入 ACK 消息
            await writer.WriteAsync(Encoding.UTF8.GetBytes($"Ack: {DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss")} \n"));
        } 
      
        reader.AdvanceTo(buffer.Start, buffer.End);
 
        if (result.IsCompleted)
        {
            break;
        } 
    }

    Console.WriteLine($"Stream [{stream.Id}]: completed");

    await reader.CompleteAsync();  
    await writer.CompleteAsync();    
} 

bool TryReadLine(ref ReadOnlySequence<byte> buffer, out ReadOnlySequence<byte> line)
{ 
    SequencePosition? position = buffer.PositionOf((byte)'\n');

    if (position == null)
    {
        line = default;
        return false;
    } 
    
    line = buffer.Slice(0, position.Value);
    buffer = buffer.Slice(buffer.GetPosition(1, position.Value));
    return true;
} 

void ProcessLine(in ReadOnlySequence<byte> buffer)
{
    foreach (var segment in buffer)
    {
        Console.WriteLine("Recevied -> " + System.Text.Encoding.UTF8.GetString(segment.Span));
    }

    Console.WriteLine();
}

以上就是服务端的完整代码了。

接下来我们看一下客户端 QuicClient 的代码。

直接使用 QuicConnection.ConnectAsync 连接到服务端。

Console.WriteLine("Quic Client Running...");

await Task.Delay(3000);

// 连接到服务端
var connection = await QuicConnection.ConnectAsync(new QuicClientConnectionOptions
{
    DefaultCloseErrorCode = 0,
    DefaultStreamErrorCode = 0,
    RemoteEndPoint = new IPEndPoint(IPAddress.Loopback, 9999),
    ClientAuthenticationOptions = new SslClientAuthenticationOptions
    {
        ApplicationProtocols = new List<SslApplicationProtocol> { SslApplicationProtocol.Http3 },
        RemoteCertificateValidationCallback = (sender, certificate, chain, errors) =>
        {
            return true;
        }
    }
});

创建一个出站的双向流。

// 打开一个出站的双向流
var stream = await connection.OpenOutboundStreamAsync(QuicStreamType.Bidirectional); 

var reader = PipeReader.Create(stream);
var writer = PipeWriter.Create(stream);

后台读取流数据，然后循环写入数据。

// 后台读取流数据
_ = ProcessLinesAsync(stream);

Console.WriteLine(); 

// 写入数据
for (int i = 0; i < 7; i++)
{
    await Task.Delay(2000);

    var message = $"Hello Quic {i} \n";

    Console.Write("Send -> " + message);  

    await writer.WriteAsync(Encoding.UTF8.GetBytes(message)); 
}

await writer.CompleteAsync(); 

Console.ReadKey();

ProcessLinesAsync 和服务端一样，使用 System.IO.Pipeline 读取流数据。

async Task ProcessLinesAsync(QuicStream stream)
{
    while (true)
    {
        ReadResult result = await reader.ReadAsync();
        ReadOnlySequence<byte> buffer = result.Buffer;

        while (TryReadLine(ref buffer, out ReadOnlySequence<byte> line))
        { 
            // 处理行数据
            ProcessLine(line);
        }
     
        reader.AdvanceTo(buffer.Start, buffer.End); 
     
        if (result.IsCompleted)
        {
            break;
        }
    }

    await reader.CompleteAsync();
    await writer.CompleteAsync();

} 

bool TryReadLine(ref ReadOnlySequence<byte> buffer, out ReadOnlySequence<byte> line)
{ 
    SequencePosition? position = buffer.PositionOf((byte)'\n');

    if (position == null)
    {
        line = default;
        return false;
    }
 
    line = buffer.Slice(0, position.Value);
    buffer = buffer.Slice(buffer.GetPosition(1, position.Value));
    return true;
}

void ProcessLine(in ReadOnlySequence<byte> buffer)
{
    foreach (var segment in buffer)
    {
        Console.Write("Recevied -> " + System.Text.Encoding.UTF8.GetString(segment.Span));
        Console.WriteLine();
    }

    Console.WriteLine();
}

到这里，客户端和服务端的代码都完成了，客户端使用 Quic 流发送了一些消息给服务端，服务端收到消息后在控制台输出，并回复一个 Ack 消息，因为我们创建了一个双向流。

程序的运行结果如下

我们上面说到了一个 QuicConnection 可以创建多个流，并行传输数据。

改造一下服务端的代码，支持接收多个 Quic 流。

var cts = new CancellationTokenSource();

while (!cts.IsCancellationRequested)
{
    var stream = await connection.AcceptInboundStreamAsync();

    Console.WriteLine($"Stream [{stream.Id}]: created");

    Console.WriteLine();

    _ = ProcessLinesAsync(stream); 
} 

Console.ReadKey();

对于客户端，我们用多个线程创建多个 Quic 流，并同时发送消息。

默认情况下，一个 Quic 连接的流的限制是 100，当然你可以设置 QuicConnectionOptions 的 MaxInboundBidirectionalStreams 和 MaxInboundUnidirectionalStreams 参数。

for (int j = 0; j < 5; j++)
{
    _ = Task.Run(async () => {

        // 创建一个出站的双向流
        var stream = await connection.OpenOutboundStreamAsync(QuicStreamType.Bidirectional); 
      
        var writer = PipeWriter.Create(stream); 

        Console.WriteLine();
 
        await Task.Delay(2000);
        
        var message = $"Hello Quic [{stream.Id}] \n";

        Console.Write("Send -> " + message);

        await writer.WriteAsync(Encoding.UTF8.GetBytes(message));

        await writer.CompleteAsync(); 
    });  
}

最终程序的输出如下

完整的代码可以在下面的 github 地址找到，希望对您有用！

https://github.com/SpringLeee/PlayQuic

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