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：
- UserClient：用户客户端，真实的请求发起方；
- 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；
- 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；
- 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；
- TargetServer：目标服务器目标服务器，即被代理的服务器；
- UserChannel：用户客户端 -> 内网穿透服务端，用户连接通道；
- QuantumTunnel：内网穿透服务端 -> 内网穿透客户端，量子通道；
- 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。
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。
- 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；
- 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；
- 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 ProxyServerHandlerQuantumTunnel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：
- 注册事件：接收ProxyClient的注册请求，打开QuantumTunnel
- 数据传输事件：接收ProxyClient返回的数据，并发送给UserChannel
- ProxyChannel断开事件：ProxyChannel断开后需要同步断开UserChannel
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：
- 向ProxyServer发起注册请求，打开QuantumTunnel；
- 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；
- 处理UserChannel连接断开事件。
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：
- 管理UserChannel连接；
- 解析数据流量包的路由信息，进行转发。
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
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
- 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；
- 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。
仓库地址目前代码仓库都放在Gitee上： 乐天派 / quantum-tunnel，感兴趣的小伙伴在这里可以看到完整代码，欢迎大家拍砖~
QuantumTunnel系列文章- QuantumTunnel：内网穿透服务设计
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