基于Unix Socket的可靠Node.js HTTP代理实现（支持WebSocket协议）
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。
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：
- 头部协议升级字段检查
- 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。