QuantumTunnel:Netty实现

接上一篇文章内网穿透服务设计挖的坑,本篇来聊一下内网穿透的实现。

为了方便理解,我们先统一定义使用到的名词:

  1. UserClient:用户客户端,真实的请求发起方;
  2. UserServer:内网穿透-用户服务端,接收用户客户端发起的请求;并将请求转发给代理服务端;
  3. ProxyServer:内网穿透-代理服务端,与代理客户端保持一个连接通道用于传输数据;
  4. ProxyClient:内网穿透-代理客户端,从通道中接收来自代理服务端的请求数据,并且发起真正的请求。拿到请求结果后再通过该通道写回到代理服务端;
  5. TargetServer:目标服务器目标服务器,即被代理的服务器;
  6. UserChannel:用户客户端 -> 内网穿透服务端,用户连接通道;
  7. QuantumTunnel:内网穿透服务端 -> 内网穿透客户端,量子通道;
  8. ProxyChannel:内网穿透客户端 -> 目标服务器,代理通道。

需要关注一下最后的UserChannel、QuantumChannel和ProxyChannel这3个通道,内网穿透的本质就是数据流量在这三个网络连接通道中流转。

流程图

进行开发之前,我们再梳理一下内网穿透的流程。

在上篇文章的基础上,对流程图进行了更详细的补充。这个流程图非常重要所有代码都是围绕这个流程图进行实现的。对全局有了掌控,代码实现的时候才心中有数。

QuantumTunnel:Netty实现_第1张图片

具体实现

内网穿透的前提条件是网络之间建立一个网络传输通道,我称之为QuantumTunnel,进行网络打通。我们来看看这部分是怎么实现的。

为了方便理解代理,这里对Netty开发流程简单说明一下。

  1. Netty开发编程中,Channel是一个很核心的概念,代表的是一个网络连接通道,负责数据传输;
  2. Netty接收到对端传输过来的数据后,交由Handler来执行具体的业务流程,也就是说我们的业务逻辑几乎都在Handler里面;
  3. 实际开发过程中会有很多Handler了,Pipeline则负责将Handler组织起来,就一个流水线,前一个Handler执行完成后交给后面的Handler继续执行。

如果小伙伴对Netty开发不太熟悉可以了解相关教程资料,本文不展开讨论。

管理QuantumTunnel连接

ProxyServerHandler

QuantumTunnel由ProxyServer和ProxyClient维护,这是ProxyServerHandler的代码:

public class ProxyServerHandler extends QuantumCommonHandler {

    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {
        QuantumMessage message = (QuantumMessage) msg;
        if (message.getMessageType() == QuantumMessageType.REGISTER) {
            processRegister(ctx, message);
        } else if (message.getMessageType() == QuantumMessageType.PROXY_DISCONNECTED) {
            processProxyDisconnected(message);
        } else if (message.getMessageType() == QuantumMessageType.DATA) {
            processData(message);
        } else {
            ctx.channel().close();
            throw new RuntimeException("Unknown MessageType: " + message.getMessageType());
        }
    }
}

代码中对ProxyClient过来的数据进行了类型判断并进行处理,总共有三种事件类型:

  1. 注册事件:接收ProxyClient的注册请求,打开QuantumTunnel
  2. 数据传输事件:接收ProxyClient返回的数据,并发送给UserChannel
  3. ProxyChannel断开事件:ProxyChannel断开后需要同步断开UserChannel

ProxyClientHandler

public class ProxyClientHandler extends QuantumCommonHandler {

    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {

        log.info("准备注册通道");
        QuantumMessage quantumMessage = new QuantumMessage();
        quantumMessage.setClientId("localTest");
        quantumMessage.setMessageType(QuantumMessageType.REGISTER);
        ctx.writeAndFlush(quantumMessage);
        super.channelActive(ctx);
    }

    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {

        QuantumMessage quantumMessage = (QuantumMessage) msg;
        if (quantumMessage.getMessageType() == QuantumMessageType.USER_DISCONNECTED) {
            processUserChannelDisconnected(quantumMessage);
        } else if (quantumMessage.getMessageType() == QuantumMessageType.DATA) {
            processData(ctx, quantumMessage);
        } else {
            throw new RuntimeException("Unknown type: " + quantumMessage.getMessageType());
        }
    }
}

ProxyClientHandler主要有三个逻辑,与ProxyServerHandler的三个事件类型相呼应:

  1. 向ProxyServer发起注册请求,打开QuantumTunnel;
  2. 处理QuantumTunnel过来的数据,向目标服务发起真正的请求并返回结果;
  3. 处理UserChannel连接断开事件。

对流量进行内网穿透

当QuantumTunnel通道建立完成以后,便可以对外提供内网穿透服务了。
假设现在要代理UserClient的Http请求,那么UserClient应该把请求打到UserServer,再由UserServer对流量进行转发。
综上,UserServer的功能有两个:

  1. 管理UserChannel连接;
  2. 解析数据流量包的路由信息,进行转发。

UserServerHandler

public class UserServerHandler extends QuantumCommonHandler {

    //userChannel标识
    private String userChannelId;

    //内网标识,即流量要转发到哪个网络
    private String clientId;

    //被代理的真实服务器内网地址
    private String proxyHost;

    //被代理服务的端口
    private String proxyPort;

    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {
        QuantumMessage message = new QuantumMessage();
        byte[] bytes = (byte[]) msg;
        message.setData(bytes);

        //解析路由信息
        if (clientId == null || proxyHost == null || proxyPort == null) {
            String s = new String(bytes);
            clientId = getHeaderValue(s, "clientId");
            proxyHost = getHeaderValue(s, "proxyHost");
            proxyPort = getHeaderValue(s, "proxyPort");
        }

        if (clientId == null || proxyHost == null || proxyPort == null) {
            log.info("缺少参数,clientId={},proxyHost={},proxyPort={}", clientId, proxyHost, proxyPort);
            ctx.channel().close();
        }

        message.setClientId(clientId);
        message.setMessageType(QuantumMessageType.DATA);
        message.setChannelId(userChannelId);
        message.setProxyHost(proxyHost);
        message.setProxyPort(Integer.parseInt(proxyPort));
        //封装QuantumMessage并写入QuantumTunnel,转发到对应的内部网络
        boolean success = writeMessage(message);
        if (!success) {
            log.info("写入数据失败,clientId={},proxyHost={},proxyPort={}", clientId, proxyHost, proxyPort);
            ctx.channel().close();
        }
    }
}

ProxyClient#doProxyRequest

当UserClient的Http请求被UserServer通过QuantumTunnel转发到了UserClient,那么最后便是发起真正的请求,拿到请求结果。

这里我之前想,如果有很多不同的应用之前协议,如Http,WebSocket等,是不是要全部都适配呢?仔细思考后发现是不需要的,因为UserClient拿到的数据包是已经封装好的应用层数据包,直接转发到对应的端口即可。

想通了以后,这个环节就比较简单了:利用Netty打开指定host+port的Channel,往里面写数据就好了。

    private void doProxyRequest(ChannelHandlerContext ctx, QuantumMessage quantumMessage) throws InterruptedException {
        Channel proxyChannel = user2ProxyChannelMap.get(quantumMessage.getChannelId());
        ByteBuf buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(quantumMessage.getData().length);
        //将byte数组转换成ByteBuf
        buffer.writeBytes(quantumMessage.getData());
        if (proxyChannel == null) {
            try {
                Bootstrap b = new Bootstrap();
                b.group(WORKER_GROUP);
                b.channel(NioSocketChannel.class);
                b.handler(new ChannelInitializer() {
                    @Override
                    protected void initChannel(SocketChannel ch) {
                        ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
                        //在ProxyRequestHandler中处理被代理服务返回的数据
                        pipeline.addLast(new ProxyRequestHandler(ctx, quantumMessage.getChannelId()));
                    }
                });
                //打开Channel
                Channel channel = b.connect(quantumMessage.getProxyHost(), quantumMessage.getProxyPort()).sync().channel();
                //把数据写入Channel
                channel.writeAndFlush(buffer);
            } catch (Exception e) {
                throw e;
            }
        } else {
            proxyChannel.writeAndFlush(buffer);
        }
    }

运行结果

QuantumTunnel主要工作在传输层,理论上可以代理所有的应用层协议唯一需要依赖应用层协议的地方是解析路由信息这部分,得益于Netty的责任链开发模式,只需要针对特定的应用层协议开发对应的解析路由信息的Handler即可(可以参考UserServerHandler实现)。

这里展示一下WebSocket(双向通信)的内网穿透效果,http内网穿透效果可以上一篇文章

QuantumTunnel:Netty实现_第2张图片

最后

遇到的问题

实现过程中遇到最大的问题便是路由信息的解析,比如

  1. Netty的拆包:消息体过大或者过小时,会出现粘包和半包的问题;
  2. WebSocket的路由转发:如何获取数据帧的路由信息。

以及UserChannel和ProxyChannel连接的管理等,这些问题我会在下一篇文章和大家一起分析。

仓库地址

欢迎一起共建致力于Java领域最好的内网穿透工具:QuantumTunnel

  1. Gitee:乐天派 / quantum-tunnel
  2. GitHub:liumian97/quantum-tunnel

你可能感兴趣的:(QuantumTunnel:Netty实现)