如何编写一个 HTTP 反向代理服务器

老雷 创作于 2017-12-12
Node.js HTTP 全文约 8867 字，预计阅读时间为 23 分钟

如果你经常使用 Node.js 编写 Web 服务端程序，一定对使用 Nginx 作为 反向代理 服务并不陌生。在生产环境中，我们往往需要将程序部署到内网多台服务器上，在一台多核服务器上，为了充分利用所有 CPU 资源，也需要启动多个服务进程，它们分别监听不同的端口。然后使用 Nginx 作为反向代理服务器，接收来自用户浏览器的请求并转发到后端的多台 Web 服务器上。大概工作流程如下图：

反向代理服务器

在 Node.js 上实现一个简单的 HTTP 代理程序还是非常简单的，本文章的例子的核心代码只有 60 多行，只要理解 内置 http 模块 的基本用法即可，具体请看下文。

接口设计与相关技术

使用 http.createServer() 创建的 HTTP 服务器，处理请求的函数格式一般为 function (req, res) {}（下文简称为 requestHandler），其接收两个参数，分别为 http.IncomingMessage 和 http.ServerResponse 对象，我们可以通过这两个对象来取得请求的所有信息并对它进行响应。

主流的 Node.js Web 框架的中间件（比如 connect）一般都有两种形式：

为了使代码更规范，在本文例子中，我们将反向代理程序设计成一个中间件的格式，并使用以上第二种接口形式：

// 生成中间件
const handler = reverseProxy({
  // 初始化参数，用于设置目标服务器列表
  servers: ["127.0.0.1:3001", "127.0.0.1:3002", "127.0.0.1:3003"]
});

// 可以直接在 http 模块中使用
const server = http.createServer(handler);

// 作为中间件在 connect 模块中使用
app.use(handler);

说明：

服务器在接收到 HTTP 请求后，首先需要发起一个新的 HTTP 请求到要代理的目标服务器，可以使用 http.request() 来发送请求：

const req = http.request(
  {
    hostname: "目标服务器地址",
    port: "80",
    path: "请求路径",
    headers: {
      "x-y-z": "请求头"
    }
  },
  function(res) {
    // res 为响应对象
    console.log(res.statusCode);
  }
);
// 如果有请求体需要发送，使用 write() 和 end()
req.end();

要将客户端的请求体（Body 部分，在 POST、PUT 这些请求时会有请求体）转发到另一个服务器上，可以使用 Stream 对象的 pipe() 方法，比如：

// req 和 res 为客户端的请求和响应对象
// req2 和 res2 为服务器发起的代理请求和响应对象
// 将 req 收到的数据转发到 req2
req.pipe(req2);
// 将 res2 收到的数据转发到 res
res2.pipe(res);

说明：

以上只是提到了实现 HTTP 代理需要的关键技术，相关接口的详细文档可以参考这里：https://nodejs.org/api/http.html#http_http_request_options_callback

当然为了实现一个接口友好的程序，往往还需要很多 _额外_ 的工作，具体请看下文。

简单版本

以下是实现一个简单 HTTP 反向代理服务器的各个文件和代码（没有任何第三方库依赖），为了使代码更简洁，使用了一些最新的 ES 语法特性，需要使用 Node v8.x 最新版本来运行：

文件 proxy.js：

const http = require("http");
const assert = require("assert");
const log = require("./log");

/** 反向代理中间件 */
module.exports = function reverseProxy(options) {
  assert(Array.isArray(options.servers), "options.servers 必须是数组");
  assert(options.servers.length > 0, "options.servers 的长度必须大于 0");

  // 解析服务器地址，生成 hostname 和 port
  const servers = options.servers.map(str => {
    const s = str.split(":");
    return { hostname: s[0], port: s[1] || "80" };
  });

  // 获取一个后端服务器，顺序循环
  let ti = 0;
  function getTarget() {
    const t = servers[ti];
    ti++;
    if (ti >= servers.length) {
      ti = 0;
    }
    return t;
  }

  // 生成监听 error 事件函数，出错时响应 500
  function bindError(req, res, id) {
    return function(err) {
      const msg = String(err.stack || err);
      log("[%s] 发生错误: %s", id, msg);
      if (!res.headersSent) {
        res.writeHead(500, { "content-type": "text/plain" });
      }
      res.end(msg);
    };
  }

  return function proxy(req, res) {
    // 生成代理请求信息
    const target = getTarget();
    const info = {
      ...target,
      method: req.method,
      path: req.url,
      headers: req.headers
    };

    const id = `${req.method} ${req.url} => ${target.hostname}:${target.port}`;
    log("[%s] 代理请求", id);

    // 发送代理请求
    const req2 = http.request(info, res2 => {
      res2.on("error", bindError(req, res, id));
      log("[%s] 响应: %s", id, res2.statusCode);
      res.writeHead(res2.statusCode, res2.headers);
      res2.pipe(res);
    });
    req.pipe(req2);
    req2.on("error", bindError(req, res, id));
  };
};

文件 log.js：

const util = require("util");

/** 打印日志 */
module.exports = function log(...args) {
  const time = new Date().toLocaleString();
  console.log(time, util.format(...args));
};

说明：

为了测试我们的代码运行的效果，我编写了一个简单的程序，文件 server.js：

const http = require("http");
const log = require("./log");
const reverseProxy = require("./proxy");

// 创建反向代理服务器
function startProxyServer(port) {
  return new Promise((resolve, reject) => {
    const server = http.createServer(
      reverseProxy({
        servers: ["127.0.0.1:3001", "127.0.0.1:3002", "127.0.0.1:3003"]
      })
    );
    server.listen(port, () => {
      log("反向代理服务器已启动: %s", port);
      resolve(server);
    });
    server.on("error", reject);
  });
}

// 创建演示服务器
function startExampleServer(port) {
  return new Promise((resolve, reject) => {
    const server = http.createServer(function(req, res) {
      const chunks = [];
      req.on("data", chunk => chunks.push(chunk));
      req.on("end", () => {
        const buf = Buffer.concat(chunks);
        res.end(`${port}: ${req.method} ${req.url} ${buf.toString()}`.trim());
      });
    });
    server.listen(port, () => {
      log("服务器已启动: %s", port);
      resolve(server);
    });
    server.on("error", reject);
  });
}

(async function() {
  await startExampleServer(3001);
  await startExampleServer(3002);
  await startExampleServer(3003);
  await startProxyServer(3000);
})();

执行以下命令启动：

node server.js

然后可以通过 curl 命令来查看返回的结果：

curl http://127.0.0.1:3000/hello/world

连续执行多次该命令，如无意外输出结果应该是这样的（输出内容端口部分按照顺序循环）：

3001: GET /hello/world
3002: GET /hello/world
3003: GET /hello/world
3001: GET /hello/world
3002: GET /hello/world
3003: GET /hello/world

注意：如果使用浏览器来打开该网址，看到的结果顺序可能是不一样的，因为浏览器会自动尝试请求/favicon，这样刷新一次页面实际上是发送了两次请求。

单元测试

上文我们已经完成了一个基本的 HTTP 反向代理程序，也通过简单的方法验证了它是能正常工作的。但是，我们并没有足够的测试，比如只验证了 GET 请求，并没有验证 POST 请求或者其他的请求方法。而且通过手工去做更多的测试也比较麻烦，很容易遗漏。所以，接下来我们要给它加上自动化的单元测试。

在本文中我们选用在 Node.js 界应用广泛的 mocha 作为单元测试框架，搭配使用 supertest 来进行 HTTP 接口请求的测试。由于 supertest 已经自带了一些基本的断言方法，我们暂时不需要 chai 或者 should 这样的第三方断言库。

首先执行 npm init 初始化一个 package.json 文件，并执行以下命令安装 mocha 和 supertest：

npm install mocha supertest --save-dev

然后新建文件 test.js：

const http = require("http");
const log = require("./log");
const reverseProxy = require("./proxy");
const { expect } = require("chai");
const request = require("supertest");

// 创建反向代理服务器
function startProxyServer() {
  return new Promise((resolve, reject) => {
    const server = http.createServer(
      reverseProxy({
        servers: ["127.0.0.1:3001", "127.0.0.1:3002", "127.0.0.1:3003"]
      })
    );
    log("反向代理服务器已启动");
    resolve(server);
  });
}

// 创建演示服务器
function startExampleServer(port) {
  return new Promise((resolve, reject) => {
    const server = http.createServer(function(req, res) {
      const chunks = [];
      req.on("data", chunk => chunks.push(chunk));
      req.on("end", () => {
        const buf = Buffer.concat(chunks);
        res.end(`${port}: ${req.method} ${req.url} ${buf.toString()}`.trim());
      });
    });
    server.listen(port, () => {
      log("服务器已启动: %s", port);
      resolve(server);
    });
    server.on("error", reject);
  });
}

describe("测试反向代理", function() {
  let server;
  let exampleServers = [];

  // 测试开始前先启动服务器
  before(async function() {
    exampleServers.push(await startExampleServer(3001));
    exampleServers.push(await startExampleServer(3002));
    exampleServers.push(await startExampleServer(3003));
    server = await startProxyServer();
  });

  // 测试结束后关闭服务器
  after(async function() {
    for (const server of exampleServers) {
      server.close();
    }
  });

  it("顺序循环返回目标地址", async function() {
    await request(server)
      .get("/hello")
      .expect(200)
      .expect(`3001: GET /hello`);

    await request(server)
      .get("/hello")
      .expect(200)
      .expect(`3002: GET /hello`);

    await request(server)
      .get("/hello")
      .expect(200)
      .expect(`3003: GET /hello`);

    await request(server)
      .get("/hello")
      .expect(200)
      .expect(`3001: GET /hello`);
  });

  it("支持 POST 请求", async function() {
    await request(server)
      .post("/xyz")
      .send({
        a: 123,
        b: 456
      })
      .expect(200)
      .expect(`3002: POST /xyz {"a":123,"b":456}`);
  });
});

说明：

接着修改 package.json 文件的 scripts 部分：

{
  "scripts": {
    "test": "mocha test.js"
  }
}

执行以下命令开始测试：

npm test

如果一切正常，我们应该会看到这样的输出结果，其中 passing 这样的提示表示我们的测试完全通过了：

  测试反向代理
2017-12-12 18:28:15 服务器已启动: 3001
2017-12-12 18:28:15 服务器已启动: 3002
2017-12-12 18:28:15 服务器已启动: 3003
2017-12-12 18:28:15 反向代理服务器已启动
2017-12-12 18:28:15 [GET /hello => 127.0.0.1:3001] 代理请求
2017-12-12 18:28:15 [GET /hello => 127.0.0.1:3001] 响应: 200
2017-12-12 18:28:15 [GET /hello => 127.0.0.1:3002] 代理请求
2017-12-12 18:28:15 [GET /hello => 127.0.0.1:3002] 响应: 200
2017-12-12 18:28:15 [GET /hello => 127.0.0.1:3003] 代理请求
2017-12-12 18:28:15 [GET /hello => 127.0.0.1:3003] 响应: 200
2017-12-12 18:28:15 [GET /hello => 127.0.0.1:3001] 代理请求
2017-12-12 18:28:15 [GET /hello => 127.0.0.1:3001] 响应: 200
    ✓ 顺序循环返回目标地址
2017-12-12 18:28:15 [POST /xyz => 127.0.0.1:3002] 代理请求
2017-12-12 18:28:15 [POST /xyz => 127.0.0.1:3002] 响应: 200
    ✓ 支持 POST 请求


  2 passing (45ms)

当然以上的测试代码还远远不够，剩下的就交给读者们来实现了。

接口改进

如果要设计成一个比较通用的反向代理中间件，我们还可以通过提供一个生成 http.ClientRequest 的函数来实现在代理时动态修改请求：

reverseProxy({
  servers: ["127.0.0.1:3001", "127.0.0.1:3002", "127.0.0.1:3003"],
  request: function(req, info) {
    // info 是默认生成的 request options 对象
    // 我们可以动态增加请求头，比如当前请求时间戳
    info.headers["X-Request-Timestamp"] = Date.now();
    // 返回 http.ClientRequest 对象
    return http.request(info);
  }
});

然后在原来的 http.request(info, (res2) => {}) 部分可以改为监听 response 事件：

const req2 = http.request(options.request(info));
req2.on("response", res2 => {});

同理，我们也可以通过提供一个函数来修改部分的响应内容：

reverseProxy({
  servers: ["127.0.0.1:3001", "127.0.0.1:3002", "127.0.0.1:3003"],
  response: function(res, info) {
    // info 是发送代理请求时所用的 request options 对象
    // 我们可以动态设置一些响应头，比如实际代理的模板服务器地址
    res.setHeader("X-Backend-Server", `${info.hostname}:${info.port}`);
  }
});

此处只发散一下思路，具体实现方法和代码就不再赘述了。

总结

本文主要介绍了如何使用内置的 http 模块来创建一个 HTTP 服务器，以及发起一个 HTTP 请求，并简单介绍了如何对 HTTP 接口进行测试。在实现 HTTP 请求代理的过程中，主要是运用了 Stream 对象的 pipe() 方法，关键部分代码只有区区几行。Node.js 中的很多程序都运用了 Stream 这样的思想，将数据当做一个流，使用 pipe 将一个流转换成另一个流，可以看出 Stream 在 Node.js 的重要性。关于 Stream 对象的使用方法可以看作者写的另一篇文章 《Node.js 的 Readable Stream 与日志文件处理》。