QUIC für den Linux-Kernel

(lwn.net)

12 Punkte von GN⁺ 2025-08-02 | Noch keine Kommentare. | Auf WhatsApp teilen

Der erste Patch zur offiziellen Integration des QUIC-Protokolls in den Linux-Kernel wurde eingereicht
Ziel ist es, die Grenzen des bestehenden TCP zu verbessern, etwa Latenz, Head-of-Line-Blocking und durch Zwischenkomponenten verursachte Protokoll-Erstarrung
QUIC basiert auf UDP, unterstützt Multistreaming und Ende-zu-Ende-Verschlüsselung; bei einer Einführung im Kernel steigt das Potenzial zur Nutzung auf breiteren Plattformen und mit mehr Hardware
Die Leistung der ersten Kernel-Implementierung wurde zwar niedriger als bei bestehendem TCP und Kernel-TLS gemessen, doch durch künftiges Hardware-Offloading und Optimierungen sind Verbesserungen zu erwarten
Derzeit wird die Unterstützung in Samba, kernelbasiertem SMB/NFS, curl und anderen Projekten intensiv diskutiert, allerdings dürfte es bis zur Aufnahme in den Mainline-Kernel noch dauern

Hintergrund zur Entstehung von QUIC und die Grenzen von TCP

QUIC wurde entwickelt, um verschiedene Probleme von TCP im heutigen Internet zu lösen
Die durch den 3-Wege-Handshake entstehende Verzögerung beim Verbindungsaufbau, fehlende gute Multistream-Unterstützung und Head-of-Line-Blocking bei Paketverlust verschlechtern die Web-Erfahrung
TCP-Metadaten werden unverschlüsselt übertragen, wodurch das Risiko von Informationsabfluss besteht; zudem filtern Middleboxes (Zwischengeräte) den Traffic anhand von Verbindungsinformationen, was zur Protokoll-Erstarrung (ossification) führt
Auch Verbesserungsversuche bei TCP, etwa Multipath TCP, funktionieren in der Praxis oft nur dann zuverlässig, wenn sie sich als bestehendes TCP tarnen

QUIC läuft über UDP und kann Verbindungen schnell aufbauen, ohne dabei einen separaten 3-Wege-Handshake zu benötigen
Das Übertragungsdesign mit Multistreaming sorgt dafür, dass Paketverlust nicht den gesamten Stream beeinträchtigt
QUIC-bezogene Transportdaten sind stets Ende-zu-Ende verschlüsselt (TLS-basiert), sodass Zwischengeräte nicht auf interne Nachrichten zugreifen können
In Netzwerkumgebungen, in denen UDP-Pakete passieren können, kann in der Regel auch QUIC normal arbeiten

Im eingereichten Patch wird mit IPPROTO_QUIC ein neuer Protokolltyp eingeführt, sodass der bestehende socket()-Systemaufruf genutzt werden kann
Ähnlich wie bei TCP können Aufrufe wie bind(), connect(), listen() und accept() verwendet werden, allerdings unterscheidet sich die weitere Verarbeitung
TLS-Sitzungsverwaltung sowie Authentifizierungs- und Verschlüsselungsprozesse werden im Userspace verarbeitet; nach dem Verbindungsaufbau muss auf beiden Seiten der TLS-Handshake abgeschlossen werden, bevor Daten gesendet und empfangen werden können
Nach der ersten Verbindung kann das Ergebnis der TLS-Aushandlung zwischengespeichert werden, wodurch erneute Verbindungen zwischen zwei Systemen deutlich beschleunigt werden

Die eingereichte QUIC-Implementierung im Kernel liegt bei der Leistung derzeit noch hinter bestehendem Kernel-TLS und TCP zurück
- Im Vergleich zu In-Kernel-TLS liegt der Durchsatz bei weniger als einem Drittel; selbst bei deaktivierter Verschlüsselung ist der Durchsatz gegenüber TCP um bis zu den Faktor 4 geringer
Als Ursachen werden fehlende Unterstützung für Segmentation Offloading, zusätzliche Datenkopien im Sendepfad und die Header-Verschlüsselung genannt
Künftig werden Leistungsverbesserungen erwartet, wenn Hardware-Offloading hinzukommt und die In-Kernel-Implementierung weiter optimiert wird

In verschiedenen Projekten wird In-Kernel-QUIC-Unterstützung intensiv diskutiert, darunter Samba-Server/Client, Kernel-SMB- und NFS-Dateisysteme sowie curl
Der Patch umfasst rund 9.000 Zeilen und enthält derzeit nur Low-Level-Unterstützungscode. Die vollständige Implementierung ist in weiteren Patches angekündigt
Die Diskussionen zu Code-Review und Merge haben gerade erst begonnen, daher dürfte es bis zum praktischen Einsatz noch dauern
- Wenn man den jüngsten Fall des Homa-Protokolls betrachtet, das über neun Monate hinweg elf Einreichungen für die Kernel-Integration benötigte, ist auch bei QUIC ein Einzug in den Mainline-Kernel wohl erst ab 2026 zu erwarten