如何用Netty实现一个轻量级的HTTP代理服务器

2018-06-18 01:50:55来源：未知阅读 ()

　　为什么会想通过Netty构建一个HTTP代理服务器？这也是笔者发表这篇文章的目的所在。

　　其主要还是源于解决在日常开发测试过程中，一直困扰测试同学很久的一个问题，现在我就来具体阐述一下这个问题。

　　在日常开发测试过程中，为了确保上线项目的万无一失，集成测试通常有部署，测试环境和回归环境这两套环境。开发人员根据需求编写代码模块，自测通过之后，由测试的同学更新到测试环境，进行测试。如果测试通过，确定项目具备上线条件，后续会在回归环境，进行回归测试。回归验证通过的项目，才具备上线条件。

　　由于模块的复杂性和多样性，我们系统要跟外系统进行一些数据的交互，这通常是通过HTTP协议方式完成的。现在由于某些条件的限制，通常只有测试环境的网络和端口是和外系统是打通的，回归环境的这块网络链路是关闭的。这样就产生了一个很尴尬的问题：如果一个模块有跟外系统进行交互，回归环境是不具备回归条件的，这样就要测试的同学，额外把模块更新到测试环境来验证，这样不仅耗时耗力。并且由于测试环境和回归环境系统数据的差异，往往可能导致项目的潜在风险没有被及时地发现。

　　现在迫切希望有一个HTTP代理服务器，能够路由回归环境的请求到测试环境。更进一步地，如果能根据请求报文的某些关键字来过滤，决定最终路由的地址，这个当然是最好了。

　　基于这些因素，考虑到HTTP代理服务器的主要用途是转发URL请求，可选的方案有很多种。比如Apache、Nginx等等。但是最终都没有被采用，主要基于以下几点考虑：

Apache服务器不能根据某些指定的关键字过滤转发URL请求，只能做简单的代理转发。
Nginx相比Aapche服务器单纯进行请求转发而言，通过OpenResty（http://openresty.org/cn/），可以把lua解析器内嵌到Nginx，这样可以编写lua脚本的关键字过滤规则，但是要测试同学短时间内学会配置不太现实。

　　有没有通过简单的几个配置，就可以达到目的的可行方案呢？

　　我首先想到了使用Netty这个NIO框架，来实现一个轻量级的HTTP代理转发服务器，同时只要简单地配置过滤规则，就可以实现请求的规则路由。

　　本文要求你熟悉Netty网络框架的工作流程，基本原理。有兴趣的朋友，可以认真研读一下《Netty in Action》这本书，对提高Netty的功力有很大帮助。

　　言归正传，下面是这个HTTP代理转发服务器的工作流程图：

　　这里我简单描述一下：

首先是Netty的服务端连接器（Acceptor）线程接收到HTTP请求，然后会把这个请求放入后端Netty专门负责处理I/O操作的线程池中。这个也是Netty经典的主从Reactor多线程模型的应用。
I/O处理线程先对HTTP请求，调用HttpRequestDecoder解码器进行解码。
HttpRequestDecoder把解码的结果，通知给路由规则计算的核心模块（GatewayServerHandler），核心模块根据配置加上请求报文中的关键字，计算出要转发的URL地址。
通过HTTP POST方式把请求，转发给计算出来的URL地址。
获取HTTP POST的获得到的应答结果。
然后通过HttpResponseEncoder编码器，把应答结果进行HTTP编码，最后透传给调用方。

　　流程描述很简单，现在关键是，如何设计关键字路由规则配置模块。

　　我是通过属性配置文件（.properties）方式来实现的，主要有两个配置文件。

netty-gateway.properties配置文件，主要是用来描述URL中的路径、以及其没有和请求URL路径匹配成功时，默认转发的URL地址。

　　配置文件的配置参考说明：

#配置说明参考：
#netty-gateway.config1.serverPath ==> URL路径关键字。
#netty-gateway.config1.defaultAddr ==> 请求报文中的关键字没有匹配成功时，默认转发的URL地址。
#config的数字后缀顺序递增即可。

netty-gateway.config1.serverPath=fcgi-bin/UIG_SFC_186
netty-gateway.config1.defaultAddr=http://10.46.158.10:8088/fcgi-bin/UIG_SFC_186

netty-gateway.config2.serverPath=fcgi-bin/BSSP_SFC
netty-gateway.config2.defaultAddr=http://10.46.158.10:8089/fcgi-bin/BSSP_SFC

netty-route.properties配置文件，则是主要配置URL中的路径、请求报文关键字集合、以及请求的URL路径、请求报文关键字和配置的匹配成功时，转发的URL地址。

　　配置文件的配置参考说明：

#配置说明参考：
#netty-gateway.config1.serverPath ==> URL路径关键字。
#netty-gateway.config1.keyWord ==> 请求报文匹配关键字。支持1~N个关键字，多个关键字用逗号分割，关键字之间是逻辑与的关系。
#netty-gateway.config1.matchAddr ==> 请求报文匹配关键字匹配成功时，转发的ULR地址。
#config的数字后缀顺序递增即可。

netty-gateway.config1.serverPath=fcgi-bin/UIG_SFC_186
netty-gateway.config1.keyWord=1,2,3
netty-gateway.config1.matchAddr=http://10.46.158.20:8088/fcgi-bin/UIG_SFC_186

netty-gateway.config2.serverPath=fcgi-bin/UIG_SFC_186
netty-gateway.config2.keyWord=1,2,3,4
netty-gateway.config2.matchAddr=http://10.46.158.20:8088/fcgi-bin/UIG_SFC_186

netty-gateway.config3.serverPath=fcgi-bin/BSSP_SFC
netty-gateway.config3.keyWord=HelloWorldNettyGateway
netty-gateway.config3.matchAddr=http://10.46.158.20:8089/fcgi-bin/BSSP_SFC

　　有了上述两个基础的配置信息之后，就可以实现基于Netty的关键字HTTP路由转发服务器了。

　　这里主要说明关键代码模块的设计思路：

　　首先是GatewayAttribute类，它主要对应netty-gateway.properties配置文件的数据结构。

package com.newlandframework.gateway.commons;

/**
 * @author tangjie<https://github.com/tang-jie>
 * @filename:GatewayAttribute.java
 * @description:GatewayAttribute功能模块
 * @blogs http://www.cnblogs.com/jietang/
 * @since 2018/4/18
 */
public class GatewayAttribute {
    private String serverPath;
    private String defaultAddr;

    public String getDefaultAddr() {
        return defaultAddr;
    }

    public void setDefaultAddr(String defaultAddr) {
        this.defaultAddr = defaultAddr;
    }

    public String getServerPath() {
        return serverPath;
    }

    public void setServerPath(String serverPath) {
        this.serverPath = serverPath;
    }
}

　　其次是RouteAttribute类，它主要对应netty-route.properties配置文件的数据结构。

package com.newlandframework.gateway.commons;

/**
 * @author tangjie<https://github.com/tang-jie>
 * @filename:RouteAttribute.java
 * @description:RouteAttribute功能模块
 * @blogs http://www.cnblogs.com/jietang/
 * @since 2018/4/18
 */
public class RouteAttribute {
    private String serverPath;
    private String keyWord;
    private String matchAddr;

    public String getMatchAddr() {
        return matchAddr;
    }

    public void setMatchAddr(String matchAddr) {
        this.matchAddr = matchAddr;
    }

    public String getServerPath() {
        return serverPath;
    }

    public void setServerPath(String serverPath) {
        this.serverPath = serverPath;
    }

    public String getKeyWord() {
        return keyWord;
    }

    public void setKeyWord(String keyWord) {
        this.keyWord = keyWord;
    }
}

　　然后通过实现spring框架的BeanDefinitionRegistryPostProcessor接口，来实现配置文件的自动加载注入。对应代码如下：

package com.newlandframework.gateway.commons;

import org.springframework.beans.BeansException;
import org.springframework.beans.MutablePropertyValues;
import org.springframework.beans.factory.config.ConfigurableListableBeanFactory;
import org.springframework.beans.factory.support.BeanDefinitionRegistry;
import org.springframework.beans.factory.support.BeanDefinitionRegistryPostProcessor;
import org.springframework.beans.factory.support.GenericBeanDefinition;
import org.springframework.core.io.ClassPathResource;
import org.springframework.core.io.Resource;

import java.io.IOException;
import java.util.*;

import static com.newlandframework.gateway.commons.GatewayOptions.*;

/**
 * @author tangjie<https://github.com/tang-jie>
 * @filename:RoutingLoader.java
 * @description:RoutingLoader功能模块
 * @blogs http://www.cnblogs.com/jietang/
 * @since 2018/4/18
 */
public class RoutingLoader implements BeanDefinitionRegistryPostProcessor {
    public static final List<RouteAttribute> ROUTERS = new ArrayList<RouteAttribute>();
    public static final List<GatewayAttribute> GATEWAYS = new ArrayList<GatewayAttribute>();

    private static final List<String> KEY_ROUTERS = new ArrayList<String>();
    private static final List<String> KEY_GATEWAYS = new ArrayList<String>();

    @Override
    public void postProcessBeanDefinitionRegistry(BeanDefinitionRegistry registry) throws BeansException {
        initGatewayRule(registry);
        initRouteRule(registry);
    }

    @Override
    public void postProcessBeanFactory(ConfigurableListableBeanFactory beanFactory) throws BeansException {
        GATEWAYS.clear();
        ROUTERS.clear();

        for (String beanName : KEY_GATEWAYS) {
            GATEWAYS.add(beanFactory.getBean(beanName, GatewayAttribute.class));
        }

        for (String beanName : KEY_ROUTERS) {
            ROUTERS.add(beanFactory.getBean(beanName, RouteAttribute.class));
        }
    }
    
    //加载netty-gateway.properties配置文件
    private void initGatewayRule(BeanDefinitionRegistry registry) {
        GenericBeanDefinition beanDefinition = new GenericBeanDefinition();
        Resource resource = new ClassPathResource(GATEWAY_OPTION_GATEWAY_CONFIG_FILE);
        Properties p = new Properties();
        try {
            p.load(resource.getInputStream());

            String key = null;
            String keyPrefix = null;
            String defaultAddr = null;
            String serverPath = null;

            Map<String, String> valuesMap = null;
            MutablePropertyValues mpv = null;

            for (Object obj : p.keySet()) {
                key = obj.toString();
                if (key.endsWith(GATEWAY_PROPERTIES_PREFIX_SERVER_PATH)) {
                    keyPrefix = key.substring(0, key.indexOf(GATEWAY_PROPERTIES_PREFIX_SERVER_PATH));
                    serverPath = p.getProperty(keyPrefix + GATEWAY_PROPERTIES_PREFIX_SERVER_PATH).trim();
                    defaultAddr = p.getProperty(keyPrefix + GATEWAY_PROPERTIES_PREFIX_DEFAULT_ADDR).trim();

                    valuesMap = new LinkedHashMap<String, String>();
                    valuesMap.put(GATEWAY_PROPERTIES_DEFAULT_ADDR, defaultAddr);
                    valuesMap.put(GATEWAY_PROPERTIES_SERVER_PATH, serverPath);

                    mpv = new MutablePropertyValues(valuesMap);
                    beanDefinition = new GenericBeanDefinition();
                    beanDefinition.setBeanClass(GatewayAttribute.class);
                    beanDefinition.setPropertyValues(mpv);
                    registry.registerBeanDefinition(serverPath, beanDefinition);

                    KEY_GATEWAYS.add(serverPath);
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    //加载netty-route.properties配置文件
    private void initRouteRule(BeanDefinitionRegistry registry) {
        GenericBeanDefinition beanDefinition = new GenericBeanDefinition();
        Resource resource = new ClassPathResource(GATEWAY_OPTION_ROUTE_CONFIG_FILE);
        Properties p = new Properties();

        try {
            p.load(resource.getInputStream());

            String key = null;
            String keyPrefix = null;
            String keyWord = null;
            String matchAddr = null;
            String serverPath = null;

            Map<String, String> valuesMap = null;
            MutablePropertyValues mpv = null;

            for (Object obj : p.keySet()) {
                key = obj.toString();
                if (key.endsWith(GATEWAY_PROPERTIES_PREFIX_KEY_WORD)) {
                    keyPrefix = key.substring(0, key.indexOf(GATEWAY_PROPERTIES_PREFIX_KEY_WORD));
                    keyWord = p.getProperty(keyPrefix + GATEWAY_PROPERTIES_PREFIX_KEY_WORD).trim();
                    if (keyWord.isEmpty()) continue;
                    matchAddr = p.getProperty(keyPrefix + GATEWAY_PROPERTIES_PREFIX_MATCH_ADDR).trim();
                    serverPath = p.getProperty(keyPrefix + GATEWAY_PROPERTIES_PREFIX_SERVER_PATH).trim();

                    valuesMap = new LinkedHashMap<String, String>();
                    valuesMap.put(GATEWAY_PROPERTIES_KEY_WORD, keyWord);
                    valuesMap.put(GATEWAY_PROPERTIES_MATCH_ADDR, matchAddr);
                    valuesMap.put(GATEWAY_PROPERTIES_SERVER_PATH, serverPath);

                    mpv = new MutablePropertyValues(valuesMap);
                    beanDefinition = new GenericBeanDefinition();
                    beanDefinition.setBeanClass(RouteAttribute.class);
                    beanDefinition.setPropertyValues(mpv);
                    String beanName = serverPath + GATEWAY_OPTION_SERVER_SPLIT + keyWord;
                    registry.registerBeanDefinition(beanName, beanDefinition);

                    KEY_ROUTERS.add(beanName);
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

　　最后是重点的关键字过滤转发代码模块，主要完成路由转发地址的匹配计算、路由转发、以及应答转发结果给请求客户端的工作。

import com.newlandframework.gateway.commons.GatewayAttribute;
import com.newlandframework.gateway.commons.HttpClientUtils;
import com.newlandframework.gateway.commons.RouteAttribute;
import com.newlandframework.gateway.commons.RoutingLoader;
import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.ChannelFutureListener;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.SimpleChannelInboundHandler;
import io.netty.handler.codec.http.*;
import io.netty.util.Signal;
import io.netty.util.concurrent.Future;
import io.netty.util.concurrent.FutureListener;
import io.netty.util.concurrent.GlobalEventExecutor;
import org.springframework.util.StringUtils;

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

import static com.newlandframework.gateway.commons.GatewayOptions.*;
import static io.netty.handler.codec.http.HttpResponseStatus.BAD_REQUEST;
import static io.netty.handler.codec.http.HttpResponseStatus.CONTINUE;
import static io.netty.handler.codec.http.HttpResponseStatus.OK;
import static io.netty.handler.codec.http.HttpVersion.HTTP_1_1;

/**
 * @author tangjie<https://github.com/tang-jie>
 * @filename:GatewayServerHandler.java
 * @description:GatewayServerHandler功能模块
 * @blogs http://www.cnblogs.com/jietang/
 * @since 2018/4/18
 */
public class GatewayServerHandler extends SimpleChannelInboundHandler<Object> {
    private HttpRequest request;
    private StringBuilder buffer = new StringBuilder();
    private String url = "";
    private String uri = "";
    private StringBuilder respone;
    private GlobalEventExecutor executor = GlobalEventExecutor.INSTANCE;
    private CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);

    @Override
    public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) {
        ctx.flush();
    }

    @Override
    protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {
        if (msg instanceof HttpRequest) {
            HttpRequest request = this.request = (HttpRequest) msg;

            //收到客户端的100-Continue协议请求，说明客户端要post数据给服务器
            if (HttpUtil.is100ContinueExpected(request)) {
                notify100Continue(ctx);
            }

            buffer.setLength(0);
            uri = request.uri().substring(1);
        }

        if (msg instanceof HttpContent) {
            HttpContent httpContent = (HttpContent) msg;
            ByteBuf content = httpContent.content();
            if (content.isReadable()) {
                buffer.append(content.toString(GATEWAY_OPTION_CHARSET));
            }

            //获取post数据完毕
            if (msg instanceof LastHttpContent) {
                LastHttpContent trace = (LastHttpContent) msg;

                System.out.println("[NETTY-GATEWAY] REQUEST : " + buffer.toString());

                //根据netty-gateway.properties、netty-route.properties匹配出最终转发的URL地址
                url = matchUrl();
                System.out.println("[NETTY-GATEWAY] URL : " + url);

                //http请求异步转发处理，不要阻塞当前的Netty Handler的I/O线程，提高服务器的吞吐量。
                Future<StringBuilder> future = executor.submit(new Callable<StringBuilder>() {
                    @Override
                    public StringBuilder call() {
                        return HttpClientUtils.post(url, buffer.toString(), GATEWAY_OPTION_HTTP_POST);
                    }
                });

                future.addListener(new FutureListener<StringBuilder>() {
                    @Override
                    public void operationComplete(Future<StringBuilder> future) throws Exception {
                        if (future.isSuccess()) {
                            respone = ((StringBuilder) future.get(GATEWAY_OPTION_HTTP_POST, TimeUnit.MILLISECONDS));
                        } else {
                            respone = new StringBuilder(((Signal) future.cause()).name());
                        }
                        latch.countDown();
                    }
                });

                try {
                    latch.await();
                    writeResponse(respone, future.isSuccess() ? trace : null, ctx);
                    ctx.writeAndFlush(Unpooled.EMPTY_BUFFER).addListener(ChannelFutureListener.CLOSE);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) {
        cause.printStackTrace();
        ctx.close();
    }

    //根据netty-gateway.properties、netty-route.properties匹配出最终转发的URL地址
    private String matchUrl() {
        for (GatewayAttribute gateway : RoutingLoader.GATEWAYS) {
            if (gateway.getServerPath().equals(uri)) {
                for (RouteAttribute route : RoutingLoader.ROUTERS) {
                    if (route.getServerPath().equals(uri)) {
                        String[] keys = StringUtils.delimitedListToStringArray(route.getKeyWord(), GATEWAY_OPTION_KEY_WORD_SPLIT);
                        boolean match = true;
                        for (String key : keys) {
                            if (key.isEmpty()) continue;
                            if (buffer.toString().indexOf(key.trim()) == -1) {
                                match = false;
                                break;
                            }
                        }
                        if (match) {
                            return route.getMatchAddr();
                        }
                    }
                }

                return gateway.getDefaultAddr();
            }
        }
        return GATEWAY_OPTION_LOCALHOST;
    }

    //把路由转发的结果应答给http客户端
    private void writeResponse(StringBuilder respone, HttpObject current, ChannelHandlerContext ctx) {
        if (respone != null) {
            boolean keepAlive = HttpUtil.isKeepAlive(request);

            FullHttpResponse response = new DefaultFullHttpResponse(
                    HTTP_1_1, current == null ? OK : current.decoderResult().isSuccess() ? OK : BAD_REQUEST,
                    Unpooled.copiedBuffer(respone.toString(), GATEWAY_OPTION_CHARSET));

            response.headers().set(HttpHeaderNames.CONTENT_TYPE, "text/plain; charset=GBK");

            if (keepAlive) {
                response.headers().setInt(HttpHeaderNames.CONTENT_LENGTH, response.content().readableBytes());
                response.headers().set(HttpHeaderNames.CONNECTION, HttpHeaderValues.KEEP_ALIVE);
            }

            ctx.write(response);
        }
    }

    private static void notify100Continue(ChannelHandlerContext ctx) {
        FullHttpResponse response = new DefaultFullHttpResponse(HTTP_1_1, CONTINUE);
        ctx.write(response);
    }
}

　　这样把整个工程maven打包部署运行，服务器默认启动端口8999，你可以通过netty-gateway.xml的gatewayPort属性进行配置调整。

　　控制台打印出如下的信息，则说明服务器启动成功。

　　下面继续以一个实际的案例来说明一下，如何配置使用这个HTTP服务器。

　　NettyGateway代理转发场景描述

NettyGateway部署在10.1.1.76主机，URL中的路径为：fcgi-bin/BSSP_SFC
如果请求报文中出现HelloWorldNettyGateway关键字的时候，转发到http://10.46.158.20:8089/fcgi-bin/BSSP_SFC
否则转发到http://10.46.158.10:8089/fcgi-bin/BSSP_SFC

　　NettyGateway代理转发场景配置说明

配置文件netty-gateway.properties新增如下属性：

netty-gateway.config2.serverPath=fcgi-bin/BSSP_SFC
netty-gateway.config2.defaultAddr=http://10.46.158.10:8089/fcgi-bin/BSSP_SFC

配置文件netty-route.properties新增如下属性：

netty-gateway.config3.serverPath=fcgi-bin/BSSP_SFC
netty-gateway.config3.keyWord=HelloWorldNettyGateway
netty-gateway.config3.matchAddr=http://10.46.158.20:8089/fcgi-bin/BSSP_SFC

　　NettyGateway代理转发测试

发送HelloWorldNettyGateway到NettyGateway，关键字匹配成功，路由到http://10.46.158.20:8089/fcgi-bin/BSSP_SFC

发送Tangjie到NettyGateway，关键字匹配不成功，路由到默认的http://10.46.158.10:8089/fcgi-bin/BSSP_SFC

　　到此，整个基于Netty实现的，一个轻量级HTTP代理服务器的主要设计思路已经介绍完了。整个服务器实现代码非常的少，而且通过简单地配置，就能很好的满足实际要求。相比通过“重量级”的服务器：Apache、Nginx，进行HTTP代理转发而言，提供了另外一种解决问题的思路。在部门的实际部署运行中，这个Netty写的小而精的服务器，运行良好，很好地帮助测试部门的同学，解决了一个困扰他们很久的问题。

　　俗话说得好，黑猫、白猫，抓到老鼠就是好猫。我把这个基于Netty的HTTP代理服务器取名“NettyGateway”，目前把代码托管在github上面：https://github.com/tang-jie/NettyGateway。

　　有兴趣的朋友，可以关注一下。由于技术能力所限，文中难免有纰漏和不足，大家如果有疑问，欢迎在下方的博客园评论区留言，或者通过github提issue给我。

　　最后，感谢您耐心阅读。如果喜欢本文的话，可以点击推荐，算是给我一个小小的鼓励！谢谢大家。

　　附上本人曾经在博客园发表的，基于Netty框架实际应用的原创文章，有兴趣的朋友，可以关联阅读。

　　基于Netty构建的RPC

　　谈谈如何使用Netty开发实现高性能的RPC服务器

　　Netty实现高性能RPC服务器优化篇之消息序列化

　　基于Netty打造RPC服务器设计经验谈

　　基于Netty构建的简易消息队列

　　Netty构建分布式消息队列（AvatarMQ）设计指南之架构篇

　　Netty构建分布式消息队列实现原理浅析

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