Node.js v15 の次世代プロトコル「QUIC」を使ってみる

先日、Node.js の新バージョンの v15 がリリースされましたね！

このとき、「QUIC」が試験的にサポートされました。

QUIC は、HTTP の新バージョン「HTTP/3」で使われているプロトコルです。

となると、「QIUC は従来のものとどういった点が違うのか」「どういう機能が新たに導入されているか」といった疑問が浮かびます。

そこで今回は、HTTP/3 や QUIC の解説から、Node.js v15 で QUIC を導入する方法まで、具体的に解説していきたいと思います！

HTTP/3 とは？

HTTP/3 は、HTTP の最新バージョンのことで、Google や YouTube、Facebook でも導入されているプロトコル。

最近では、Google Chrome にも、段階的に導入され始めました。

また HTTP/3 は、2019年の年末から現在にかけて、Web サイトでの導入数が3倍以上にもなっています。

このように、HTTP/3 は現在多くの Web サービスで導入され始めていますが、前バージョンの HTTP とは何が違うのでしょうか。

HTTP はバージョンによって通信方法が違う

HTTP は、HTTP/1.1 で標準化され、HTTP/2・HTTP/3 へとバージョンアップしていきました。

HTTP のバージョンは上がっても、「HTTP リクエストを受け取って HTTP レスポンスを返す」という、基本的な仕組みは変わっていません。

では、バージョンによって何が違うのかというと、HTTP メッセージの通信方法が違います。

1. HTTP/1.1：TCP 上で ASCII 文字のまま送受信
2. HTTP/2：ストリームで送受信（形式はフレーム形式）
3. HTTP/3：QUIC 上のストリームで送受信（形式はフレーム形式）

送受信する HTTP メッセージの意味は変わりません。

たとえ HTTP のバージョンが違っても、ブラウザやサーバサイドのコードを変更せずに、どのバージョンでも動作できます。

HTTP/3 の特徴

HTTP/3 には、QUIC という新しいプロトコルが導入されています。

UDP 上で、動作するプロトコルなので、信頼性の高い通信を高速に行うことが可能です。

HTTP/2 までは、TCP コネクションの確立に、時間を要していました。

HTTP/3 では、その問題が解決されるようになっています。

QUIC とは？

QUIC（クイック）は、Google が開発している、UDP 上で動作するトランスポート層のプロトコルです。

QUIC は、HTTP/3 のプロトコルとして採用され、Node.js v15 (2020年10月20日リリース）でも試験的に導入されています。

QUIC の特徴は、以下のとおり。

1. TCP ではなく、UDP を採用している
2. 信頼性の高い通信をトランスポート層で実現
3. QUIC では、暗号化しない通信方法は定義されない（必然的に暗号化される）
4. ストリーム上の整合性を、ストリーム毎に担保（他のストリームに影響を与えない）
5. 送信者や受信者の IP アドレスやポート番号には依存しない（UDP 上で動作しているため、それぞれのコネクションはコネクション ID で管理されている）
6. コネクションの確立も速い（1-RTT ハンドシェイクを採用）

HTTP/2 では、実現できなかったことを、QUIC で実現できるようになっています。

このように、QUIC は HTTP/2 よりもメリットが大きいので、HTTP/3 を導入しているサービスが増えてきているわけですね！

Docker を使った QUIC の試し方（環境構築）

では、実際に QUIC を試していきましょう！

実は、QUIC を Node.js v15 で試すには、普通に node を実行しただけでは試せません。

QUIC を試すには、Node.js v15 を--experimental-quic フラグをつけてビルドし直す必要があります。

以下の公式サイトから、バイナリをダウンロードして、ローカルでビルドする方法もあります。

【Node.js：公式サイト】
https://nodejs.org/ja/download/current/

ですが、ここでは Dockerfile を用いて環境を構築していきましょう！

以下のコードを、Dockerfile に記述して、Docker コンテナをビルドします。

1FROM ubuntu:18.04
2
3RUN apt update && \
4    apt install -y software-properties-common && \
5    add-apt-repository ppa:ubuntu-toolchain-r/test && \
6    apt update && \
7    apt install -y \
8      g++ \
9      python \
10      ccache \
11      build-essential \
12      git \
13      curl \
14      python3-distutils && \
15    apt-get clean && \
16    rm -rf /var/lib/apt/lists/*
17
18RUN mkdir -p quic-build && \
19    cd quic-build && \
20    curl -LkvOf https://nodejs.org/dist/v15.0.0/node-v15.0.0.tar.gz && \
21    tar zxf node-v15.0.0.tar.gz && \
22    cd node-v15.0.0 && \
23    ./configure --experimental-quic && \
24    make -j4 && \
25    mv node /usr/local/bin/ && \
26    rm -rf /build
27CMD [ "node" ]

ポイントは、Node のソースコードを curl でダウンロードしてきて、以下の2行でビルドする点。

1./configure --experimental-quic && \
2make -j4

次に、以下のコマンドを打って、Dockerfile をビルドしましょう。(※ビルドには結構時間がかかります)

1$ docker build -t quic-test .
2$ docker run -it quic-test

あとは、createQuicSocket と入力したときに、[Function: createQuicSocket] と出てくれば、QUIC が使えるようになっています。

1> const { createQuicSocket } = require('net');
2undefined
3> createQuicSocket
4[Function: createQuicSocket]

Docker コンテナをビルドするとき、以下のようなエラーが表示される場合があります。

1g++: internal compiler error: Killed (program cc1plus)

これは、メモリ不足が原因な場合が多いので、Mac をお使いの方は  Docker の Preference からメモリを増やすようにしましょう。

上手くビルドができない時は、node-quicというDockerイメージを使いましょう

ビルドに時間があまりにもかかりすぎる場合や、上手くビルドできない場合は、「node-quic」という Docker イメージを使うのも手です。

こちらのイメージは、「Node.js v14.0.0-pre」でビルドされていますが、Node.js v15 と同様に QUIC を使用することができます。

以下のコマンドを打てば、実行可能です。

1$ docker run -it nwtgck/node-quic

createQuicSocket を試してみると、上手く動きます。

1Welcome to Node.js v14.0.0-pre.
2Type ".help" for more information.
3> const { createQuicSocket } = require('net');
4undefined
5> createQuicSocket
6[Function: createQuicSocket]

これだけで動くので、非常に簡単で便利ですね！

QUICを使ったサーバを作ってみる

では、実際に QUIC を使ったサーバを作ってみましょう！

今回は、単純な echo サーバを、以下の流れで作ってみます。

1. 自己証明書の作成
2. サーバサイドの実装
3. サーバに接続するクライアントコードの作成
4. 該当ファイルを Docker コンテナにマウント
5. コードの実行

自己証明書の作成

まず、QUIC は localhost で試す場合であっても、自己証明書の作成をする必要があります。

以下のコマンドで、ローカルに自己証明書を作成しましょう。

1$ mkdir ssl_certs
2$ cd ssl_certs
3$ openssl genrsa 2024 > server.key
4$ openssl req -new -key server.key -subj "/C=JP" > server.csr
5$ openssl x509 -req -days 3650 -signkey server.key < server.csr > server.crt

サーバサイドの実装

サーバは、以下のコードで実現できます。

ここでは、「echo_server.js」というファイル名で、ローカルに保存しておきましょう。

1const { createQuicSocket } = require('net');
2 const fs = require('fs');
3 
4 const key  = fs.readFileSync('./ssl_certs/server.key');
5 const cert = fs.readFileSync('./ssl_certs/server.crt');
6 const ca   = fs.readFileSync('./ssl_certs/server.csr');
7 const port = 4567;
8 
9 const server = createQuicSocket({ endpoint: { port } });
10 server.listen({ key, cert, alpn: 'hello' });
11 
12 server.on('session', (session) => {
13   session.on('stream', (stream) => {
14     console.log('requested!!');
15
16    stream.setEncoding('utf8');
17    stream.on('data', console.log); // データを受け取ったとき
18    stream.on('end', () => console.log('stream ended')); // ストリームが終了したとき
19   });
20 });
21 
22 server.on('listening', () => {
23   // The socket is listening for sessions!
24   console.log(`listening on ${port}...`);
25 });

サーバに接続するクライアントコードの作成

次に、クライアントサイドのコードを、「echo_server_client.js」というファイル名で保存します。

先ほど作成した、echo_server.js と同じディレクトリに置くようにしましょう。

1const { createQuicSocket } = require('net');
2const fs = require('fs');
3const key  = fs.readFileSync('./ssl_certs/server.key');
4const cert = fs.readFileSync('./ssl_certs/server.crt');
5const ca   = fs.readFileSync('./ssl_certs/server.csr');
6const port = 4567;
7 
8 let socket = createQuicSocket({
9   client: {
10     key,
11     cert,
12     ca,
13     requestCert: true,
14     alpn: 'h3-29',
15     servername: 'localhost'
16   }
17 });
18
19 let req = socket.connect({
20   address: 'localhost',
21   port,
22 });
23
24req.on('secure', () => {
25  console.log('何か入力してください');
26   const stream = socket.connect({
27   address: 'localhost',
28   port,
29   }).openStream();
30   process.stdin.pipe(stream);
31   stream.on('close', () => {
32     socket.close();
33   });
34 });

該当ファイルを Docker コンテナにマウント

以下のコマンドを使って、該当ファイルを Docker コンテナにマウントして、コンテナ内に入ります。

ここでは、コンテナ内の「/home ディレクトリ」にマウントしています。

1$ docker run -it -v $PWD:/home -p 4567:4567 nwtgck/node-quic bash

コンテナ内に入れたら、以下のコマンドを使って、実際にファイルがマウントされているか確認しましょう。

1root@228566e5c0eb:/# cd /home
2root@228566e5c0eb:/home# ls

コードを実行して確認してみよう

あとは、サーバサイドのコードとクライアントサイドのコードを、それぞれ実行するだけです。

サーバサイドのコードの実行

ホームディレクトリまで移動できたら、サーバサイドのコードを、node で実行しましょう。

1root@228566e5c0eb:/home# node echo_server.js
2(node:16) ExperimentalWarning: The QUIC protocol is experimental and not yet supported for production use
3listening on 4567...

これで、サーバが listen している状態になります。

クライアントサイドのコードの実行

続いて、クライアントサイドのコードの実行ですが、ここでもう1つターミナルを立ち上げましょう。

そのターミナルで、動作している Docker コンテナ ID を調べて、コンテナ内に入ります。

1$ docker ps -a
2$ docker exec -it コンテナID bash

コンテナ内に入ったら、ホームディレクトリへ移動し、クライアントサイドのコードを実行します。

1root@228566e5c0eb:/# cd /home
2root@228566e5c0eb:/home# node echo_server_client.js

文字を入力をして確認してみよう

これで準備は整ったので、あとはクライアントサイドから、文字を入力してみます。

1(node:18) ExperimentalWarning: The QUIC protocol is experimental and not yet supported for production use
2何か入力してください
3aa
4bbb

すると、サーバサイドで以下のように表示されます。

1(node:18) ExperimentalWarning: The QUIC protocol is experimental and not yet supported for production use
2listening on 4567...
3
4requested!!
5aa
6
7bbb

ちゃんと同じ文字列が表示されていますね！

これで、echo サーバの実装は完了です。

ファイルを取得したり、curl コマンドを使って、HTTP/3 でアクセスしたりすると面白いかもしれません。

さいごに

今回は、QUIC の解説から Node.js の最新版を使って、echo サーバを作るところまで見ていきました。

QUIC は、HTTP/3 で導入されているプロトコルで、高速かつ信頼性の高い次世代プロトコルです。

Node.js v15 では、QUIC はまだ試験的な導入ですが、その機能を先取りして試してみるのも興味深いと思います。

今後、QUIC の導入が進んでいくとは思います。

ただ、まだ正式導入までには時間を要すると思われるので、今の内に QUIC を使って色々試してみると面白いかもしれませんよ！

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