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Node.js v15の次世代プロトコル「QUIC」を実際に試してみた!

Node.js v15の次世代プロトコル「QUIC」を実際に試してみた!

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!

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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。

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。

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)

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。

MacでDockerコンテナをビルドする際のエラー対処法

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。

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。

MacでDockerコンテナをビルドする際のエラー対処法

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。

createQuicSocket を試してみると、上手く動きます。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

すると、サーバサイドで以下のように表示されます。

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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