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基于Unix Socket的可靠Node.js HTTP代理实现(支持WebSocket协议)

实现代理服务,最常见的便是代理服务器代理相应的协议体请求源站,并将响应从源站转发给客户端。而在本文的场景中,代理服务及源服务采用相同技术栈(Node.js),源服务是由代理服务fork出的业务服务(如下图),代理服务不仅负责请求反向代理及转发规则设定,同时也负责业务服务伸缩扩容、日志输出与相关资源监控报警。下文称源服务为业务服务

基于Unix Socket的可靠Node.js HTTP代理实现(支持WebSocket协议)

最初笔者采用上图的架构,业务服务为真正的HTTP服务或WebSocket服务,其侦听服务器的某个端口并处理代理服务的转发请求。可这有一些问题会困扰我们:

  • 业务服务需要侦听端口,而端口是有上限的且有可能冲突(尽管可以避免冲突)
  • 代理服务转发请求时,又在内核走了一次TCP/IP协议栈解析,且存在性能损耗(TCP的慢启动、ack机制等可靠性保证导致传输性能降低)
  • 转发策略需要与端口耦合,业务移植时存在风险

因此,笔者尝试寻找更优的解决方案。

基于Unix Socket协议的HTTP Server

老实说,之前学习linux网络编程的时候从没有尝试基于域套接字的HTTP Server,不过从协议上说,HTTP协议并没有严格要求传输层协议必须为TCP,因此如果底层采用基于字节流的Unix Socket传输,应该也是可以实现要求的。

同时相比较TCP协议实现的可靠传输,Unix Socket作为IPC有些优点:

  • Unix Socket仅仅复制数据,并不执行协议处理,不需要添加或删除网络报头,无需计算校验和,不产生顺序号,也不需要发送确认报文
  • 仅依赖命名管道,不占用端口

Unix Socket并不是一种协议,它是进程间通信(IPC)的一种方式,解决本机的两个进程通信

在Node.js的http模块和net模块,都提供了相关接口 “listen(path, cb)”,不同的是http模块在Unix Socket之上封装了HTTP的协议解析及相关规范,因此这是可以无缝兼容基于TCP实现的HTTP服务的。

下为基于Unix Socket的HTTP Server与Client 样例:

const  http  =  require(\'http\');
const  path  =  require(\'path\');
const  fs  =  require(\'fs\');
const  p  =  path.join(__dirname,\'tt.sock\');

fs.unlinkSync(p);
let  s  =  http.createServer((req, res)=> {
req.setEncoding(\'utf8\')
req.on(\'data\',(d)=>{
    console.log(\'server get:\', d)
});
res.end(\'helloworld!!!\');
});

s.listen(p);

setTimeout(()=>{
    let  c  =  http.request( {
        method:  \'post\',
        socketPath:  p,
        path:  \'/test\'
    }, (res) => {
        res.setEncoding(\'utf8\');
        res.on(\'data\', (chunk) => {
            console.log(`响应主体: ${chunk}`);
        });

        res.on(\'end\', () => {
        });
    });
    c.write(JSON.stringify({abc:  \'12312312312\'}));
    c.end();
},2000)

代理服务与业务服务进程的创建

代理服务不仅仅是代理请求,同时也负责业务服务进程的创建。在更为高级的需求下,代理服务同时也担负业务服务进程的扩容与伸缩,当业务流量上来时,为了提高业务服务的吞吐量,代理服务需要创建更多的业务服务进程,流量洪峰消散后回收适当的进程资源。透过这个角度会发现这种需求与cluster和child_process模块息息相关,因此下文会介绍业务服务集群的具体实现。

本文中的代理为了实现具有粘性session功能的WebSocket服务,因此采用了child_process模块创建业务进程。这里的粘性session主要指的是Socket.IO的握手报文需要始终与固定的进程进行协商,否则无法建立Socket.IO连接(此处Socket.IO连接特指Socket.IO成功运行之上的连接),具体可见我的文章 socket.io搭配pm2(cluster)集群解决方案 。不过,在fork业务进程的时候,会通过pre_hook脚本重写子进程的 http.Server.listen() 从而实现基于Unix Socket的底层可靠传输,这种方式则是参考了 cluster 模块对子进程的相关处理,关于cluster模块覆写子进程的listen,可参考我的另一篇文章 Nodejs cluster模块深入探究 的“多个子进程与端口复用”一节。

// 子进程pre_hook脚本,实现基于Unix Socket可靠传输的HTTP Server
function  setupEnvironment() {
    process.title  =  \'ProxyNodeApp: \'  +  process[\'env\'][\'APPNAME\'];
    http.Server.prototype.originalListen  =  http.Server.prototype.listen;
    http.Server.prototype.listen  =  installServer;
    loadApplication();
}
function  installServer() {
    var  server  =  this;
    var  listenTries  =  0;
    doListen(server, listenTries, extractCallback(arguments));
    return  server;
}

function  doListen(server, listenTries, callback) {
    function  errorHandler(error) {
        // error handle
    }
    // 生成pipe
    var  socketPath  =  domainPath  =  generateServerSocketPath();
    server.once(\'error\', errorHandler);
    server.originalListen(socketPath, function() {
        server.removeListener(\'error\', errorHandler);
        doneListening(server, callback);
        process.nextTick(finalizeStartup);
    });

    process.send({
        type:  \'path\',
        path:  socketPath
    });
}

这样就完成了业务服务的底层基础设施,到了业务服务的编码阶段无需关注传输层的具体实现,仍然使用 http.Server.listen(${any_port})即可。此时业务服务侦听任何端口都可以,因为在传输层根本没有使用该端口,这样就避免了系统端口的浪费。

流量转发

流量转发包括了HTTP请求和WebSocket握手报文,虽然WebSocket握手报文仍然是基于HTTP协议实现,但需要不同的处理,因此这里分开来说。

HTTP流量转发

此节可参考 “基于Unix Socket的HTTP Server与Client”的示例,在代理服务中新创建基于Unix Socket的HTTP client请求业务服务,同时将响应pipe给客户端。

class  Client  extends  EventEmitter{
    constructor(options) {
        super();
        options  =  options  || {};
        this.originHttpSocket  =  options.originHttpSocket;
        this.res  =  options.res;
        this.rej  =  options.rej;
        if (options.socket) {
            this.socket  =  options.socket;
        } else {
            let  self  =  this;
            this.socket  =  http.request({
                method:  self.originHttpSocket.method,
                socketPath:  options.sockPath,
                path:  self.originHttpSocket.url,
                headers:  self.originHttpSocket.headers
            }, (res) => {
                self.originHttpSocket.set(res.headers);
                self.originHttpSocket.res.writeHead(res.statusCode);
                // 代理响应
                res.pipe(self.originHttpSocket.res)
                self.res();
            });
        }
    }
    send() {
        // 代理请求
        this.originHttpSocket.req.pipe(this.socket);
    }
}
// proxy server
const  app  =  new  koa();
app.use(async  ctx  => {
    await  new  Promise((res,rej) => {
        // 代理请求
        let  client  =  new  Client({
            originHttpSocket:  ctx,
            sockPath:  domainPath,
            res,
            rej
        });
        client.send();
    });
});

let  server  =  app.listen(8000);

WebSocket报文处理

如果不做WebSocket报文处理,到此为止采用Socket.IO仅仅可以使用 “polling” 模式,即通过XHR轮询的形式实现假的长连接,WebSocket连接无法建立。因此,如果为了更好性能体验,需要处理WebSocket报文。这里主要参考了“http-proxy”的实现,针对报文做了一些操作:

  1. 头部协议升级字段检查
  2. 基于Unix Socket的协议升级代理请求

报文处理的核心在于第2点:创建一个代理服务与业务服务进程之间的“长连接”(该连接时基于Unix Socket管道的,而非TCP长连接),并使用此连接overlay的HTTP升级请求进行协议升级。

此处实现较为复杂,因此只呈现代理服务的处理,关于WebSocket报文处理的详细过程,可参考 proxy-based-unixsocket

// 初始化ws模块
wsHandler  =  new  WsHandler({
    target: {
        socketPath:  domainPath
    }
}, (err, req, socket) => {
    console.error(`代理wsHandler出错`, err);
});

// 代理ws协议握手升级
server.on(\'upgrade\',(req, socket, head) =>{
    wsHandler.ws(req, socket, head);
});

回顾与总结

大家都知道,在Node.js范畴实现HTTP服务集群,应该使用cluster模块而不是“child_process”模块,这是因为采用child_process实现的HTTP服务集群会出现调度上不均匀的问题(内核为了节省上下文切换开销做出来的“优化之举”,详情可参考 Nodejs cluster模块深入探究“请求分发策略”一节)。可为何在本文的实现中仍采用child_process模块呢?

答案是:场景不同。作为代理服务,它可以使用cluster模块实现代理服务的集群;而针对业务服务,在session的场景中需要由代理服实现对应的转发策略,其他情况则采用RoundRobin策略即可,因此child_process模块更为合适。

本文并未实现代理服务的负载均衡策略,其实现仍然在 Nodejs cluster模块深入探究 中讲述,因此可参阅此文。

最终,在保持进程模型稳定的前提下,变更了底层协议可实现更高性能的代理服务。

基于Unix Socket的可靠Node.js HTTP代理实现(支持WebSocket协议)

本文来自网络整理,转载请注明原出处:https://segmentfault.com/a/1190000021972715

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