詳解Nginx如何代理UDP連接
眾所周知，UDP 并不像 TCP 那樣是基于連接的。但有些時(shí)候，我們需要往一個(gè)固定的地址發(fā)送多個(gè) UDP 來完成一個(gè) UDP 請求。為了保證服務(wù)端能夠知道這幾個(gè) UDP 包構(gòu)成同一個(gè)會(huì)話，我們需要在發(fā)送 UDP 包時(shí)綁定某個(gè)端口，這樣當(dāng)網(wǎng)絡(luò)棧通過五元組（協(xié)議、客戶端IP、客戶端端口、服務(wù)端IP、服務(wù)端端口）進(jìn)行區(qū)分時(shí)，那幾個(gè) UDP 包能夠分到一起。通常我們會(huì)把這種現(xiàn)象稱之為 UDP 連接。
但這樣又有了一個(gè)新的問題。不同于 TCP 那樣有握手和揮手，UDP 連接僅僅意味著使用固定的客戶端端口。雖然作為服務(wù)端，由于事先就跟客戶端約定好了一套固定的協(xié)議，可以知道一個(gè) UDP 連接應(yīng)當(dāng)在何處終止。但如果中間使用了代理服務(wù)器，那么代理是如何區(qū)分某幾個(gè) UDP 包是屬于某個(gè) UDP 連接呢？畢竟沒有握手和揮手作為分隔符，一個(gè)中間人是不清楚某個(gè)會(huì)話應(yīng)當(dāng)在何處放下句號的。
通過下面的實(shí)驗(yàn)，我們會(huì)看到 Nginx 是如何處理這個(gè)問題的。
實(shí)驗(yàn)在接下來的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我都會(huì)用一個(gè)固定的客戶端。這個(gè)客戶端會(huì)向 Nginx 監(jiān)聽的地址建立 UDP “連接”，然后發(fā)送 100 個(gè) UDP 包。
// save it as main.go, and run it like `go run main.go`package mainimport ( 'fmt' 'net' 'os')func main() { conn, err := net.Dial('udp', '127.0.0.1:1994') if err != nil {fmt.Printf('Dial err %v', err)os.Exit(-1) } defer conn.Close() msg := 'H' for i := 0; i < 100; i++ {if _, err = conn.Write([]byte(msg)); err != nil { fmt.Printf('Write err %v', err) os.Exit(-1)} }}基礎(chǔ)配置下面是實(shí)驗(yàn)中用到的 Nginx 基礎(chǔ)配置。后續(xù)實(shí)驗(yàn)都會(huì)在這個(gè)基礎(chǔ)上做些改動(dòng)。
這個(gè)配置中，Nginx 會(huì)有 4 個(gè) worker 進(jìn)程監(jiān)聽 1994 端口，并代理到 1995 端口上。錯(cuò)誤日志會(huì)發(fā)往標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤，而訪問日志會(huì)發(fā)往標(biāo)準(zhǔn)輸出。
worker_processes 4;daemon off;error_log /dev/stderr warn;events { worker_connections 10240;}stream { log_format basic '[$time_local] ' 'received: $bytes_received ' '$session_time'; server {listen 1994 udp;access_log /dev/stdout basic;preread_by_lua_block { ngx.log(ngx.ERR, ngx.worker.id(), ' ', ngx.var.remote_port)}proxy_pass 127.0.0.1:1995;proxy_timeout 10s; } server {listen 1995 udp;return 'data'; }}輸出如下：
2023/01/27 18:00:59 [error] 6996#6996: *2 stream [lua] preread_by_lua(nginx.conf:48):2: 1 51933 while prereading client data, udp client: 127.0.0.1, server: 0.0.0.0:19942023/01/27 18:00:59 [error] 6995#6995: *4 stream [lua] preread_by_lua(nginx.conf:48):2: 0 51933 while prereading client data, udp client: 127.0.0.1, server: 0.0.0.0:19942023/01/27 18:00:59 [error] 6997#6997: *1 stream [lua] preread_by_lua(nginx.conf:48):2: 2 51933 while prereading client data, udp client: 127.0.0.1, server: 0.0.0.0:19942023/01/27 18:00:59 [error] 6998#6998: *3 stream [lua] preread_by_lua(nginx.conf:48):2: 3 51933 while prereading client data, udp client: 127.0.0.1, server: 0.0.0.0:1994[27/Jan/2023:18:01:09 +0800] received: 28 10.010[27/Jan/2023:18:01:09 +0800] received: 27 10.010[27/Jan/2023:18:01:09 +0800] received: 23 10.010[27/Jan/2023:18:01:09 +0800] received: 22 10.010
可以看出，全部 100 個(gè) UDP 包分散到了每個(gè) worker 進(jìn)程上。看來 Nginx 并沒有把來自同一個(gè)地址的 100 個(gè)包當(dāng)作同一個(gè)會(huì)話，畢竟每個(gè)進(jìn)程都會(huì)讀取 UDP 數(shù)據(jù)。
reuseport要想讓 Nginx 代理 UDP 連接，需要在 listen 時(shí)指定 reuseport：
... server {listen 1994 udp reuseport;access_log /dev/stdout basic;現(xiàn)在全部 UDP 包都會(huì)落在同一個(gè)進(jìn)程上，并被算作同一個(gè)會(huì)話：
2023/01/27 18:02:39 [error] 7191#7191: *1 stream [lua] preread_by_lua(nginx.conf:48):2: 3 55453 while prereading client data, udp client: 127.0.0.1, server: 0.0.0.0:1994[27/Jan/2023:18:02:49 +0800] received: 100 10.010
多個(gè)進(jìn)程在監(jiān)聽同一個(gè)地址時(shí)，如果設(shè)置了 reuseport 時(shí)，Linux 會(huì)根據(jù)五元組的 hash 來決定發(fā)往哪個(gè)進(jìn)程。這樣一來，同一個(gè) UDP 連接里面的所有包就會(huì)落到一個(gè)進(jìn)程上。
順便一提，如果在 1995 端口的 server 上打印接受到的 UDP 連接的客戶端地址（即 Nginx 跟上游通信的地址），我們會(huì)發(fā)現(xiàn)同一個(gè)會(huì)話的地址是一樣的。也即是 Nginx 在代理到上游時(shí)，默認(rèn)就會(huì)使用 UDP 連接來傳遞整個(gè)會(huì)話。
proxy_xxx directives相信讀者也已經(jīng)注意到，在錯(cuò)誤日志中記錄的 UDP 訪問開始時(shí)間，和在訪問日志中記錄的結(jié)束時(shí)間，正好差了 10 秒。該時(shí)間段對應(yīng)了配置里的 proxy_timeout 10s;。由于 UDP 連接中沒有揮手的說法，Nginx 默認(rèn)根據(jù)每個(gè)會(huì)話的超時(shí)時(shí)間來決定會(huì)話何時(shí)終止。默認(rèn)情況下，一個(gè)會(huì)話的持續(xù)時(shí)間是 10 分鐘，只是由于我缺乏耐心，所以特定配成了 10 秒。
除了超時(shí)時(shí)間，Nginx 還會(huì)依靠什么條件決定會(huì)話的終止呢？請往下看：
...proxy_timeout 10s;proxy_responses 1;在新增了 proxy_responses 1 后，輸出變成了這樣：
2023/01/27 18:07:35 [error] 7552#7552: *1 stream [lua] preread_by_lua(nginx.conf:48):2: 2 36308 while prereading client data, udp client: 127.0.0.1, server: 0.0.0.0:1994[27/Jan/2023:18:07:35 +0800] received: 62 0.0032023/01/27 18:07:35 [error] 7552#7552: *65 stream [lua] preread_by_lua(nginx.conf:48):2: 2 36308 while prereading client data, udp client: 127.0.0.1, server: 0.0.0.0:1994[27/Jan/2023:18:07:35 +0800] received: 9 0.0002023/01/27 18:07:35 [error] 7552#7552: *76 stream [lua] preread_by_lua(nginx.conf:48):2: 2 36308 while prereading client data, udp client: 127.0.0.1, server: 0.0.0.0:1994[27/Jan/2023:18:07:35 +0800] received: 7 0.0002023/01/27 18:07:35 [error] 7552#7552: *85 stream [lua] preread_by_lua(nginx.conf:48):2: 2 36308 while prereading client data, udp client: 127.0.0.1, server: 0.0.0.0:1994[27/Jan/2023:18:07:35 +0800] received: 3 0.0002023/01/27 18:07:35 [error] 7552#7552: *90 stream [lua] preread_by_lua(nginx.conf:48):2: 2 36308 while prereading client data, udp client: 127.0.0.1, server: 0.0.0.0:1994[27/Jan/2023:18:07:35 +0800] received: 19 0.000
我們看到 Nginx 不再被動(dòng)等待時(shí)間超時(shí)，而是在收到上游發(fā)來的包之后就終止了會(huì)話。proxy_timeout 和 proxy_responses 兩者間是“或”的關(guān)系。
和 proxy_responses 相對的有一個(gè) proxy_requests：
...proxy_timeout 10s;proxy_responses 1;proxy_requests 50;在配置了 proxy_requests 50 后，我們會(huì)看到每個(gè)請求的大小都穩(wěn)定在 50 個(gè) UDP 包：
2023/01/27 18:08:55 [error] 7730#7730: *1 stream [lua] preread_by_lua(nginx.conf:48):2: 0 49881 while prereading client data, udp client: 127.0.0.1, server: 0.0.0.0:19942023/01/27 18:08:55 [error] 7730#7730: *11 stream [lua] preread_by_lua(nginx.conf:48):2: 0 49881 while prereading client data, udp client: 127.0.0.1, server: 0.0.0.0:1994[27/Jan/2023:18:08:55 +0800] received: 50 0.002[27/Jan/2023:18:08:55 +0800] received: 50 0.001
注意讓會(huì)話終止所需的上游響應(yīng)的 UDP 數(shù)是 proxy_requests * proxy_responses。在上面的例子中，如果我們把 proxy_responses 改成 2，那么要過 10 秒才會(huì)終止會(huì)話。因?yàn)檫@么做之后，對應(yīng)每 50 個(gè) UDP 包的請求，需要響應(yīng) 100 個(gè) UDP 包才會(huì)終止會(huì)話，而每個(gè)請求的 UDP 包只會(huì)得到一個(gè) UDP 作為響應(yīng)，所以只能等超時(shí)了。
動(dòng)態(tài)代理在大多數(shù)時(shí)候，UDP 請求的包數(shù)不是固定的，我們可能要根據(jù)開頭的某個(gè)長度字段來確定會(huì)話的包數(shù)，抑或通過某個(gè)包的包頭是否有 eof 標(biāo)記來判斷什么時(shí)候終結(jié)當(dāng)前會(huì)話。目前 Nginx 的幾個(gè) proxy_* 指令都只支持固定值，不支持借助變量動(dòng)態(tài)設(shè)置。
proxy_requests 和 proxy_responses 實(shí)際上只是設(shè)置了 UDP session 上的對應(yīng)計(jì)數(shù)器。所以理論上我們可以修改 Nginx，暴露出 API 來動(dòng)態(tài)調(diào)整當(dāng)前 UDP session 的計(jì)數(shù)器的值，實(shí)現(xiàn)按上下文決定 UDP 請求邊界的功能。那是否存在不修改 Nginx 的解決方案呢？
換個(gè)思路，我們能不能通過 Lua 把客戶端數(shù)據(jù)都讀出來，然后在 Lua 層面上由 cosocket 發(fā)送給上游？通過 Lua 實(shí)現(xiàn)上游代理這個(gè)思路確實(shí)挺富有想象力，可惜它目前是行不通的。
使用如下代碼代替前面的 preread_by_lua_block：
content_by_lua_block { local sock = ngx.req.socket() while true dolocal data, err = sock:receive()if not data then if err and err ~= 'no more data' thenngx.log(ngx.ERR, err) end returnendngx.log(ngx.WARN, 'message received: ', data) end}proxy_timeout 10s;proxy_responses 1;proxy_requests 50;我們會(huì)看到這樣的輸出：2023/01/27 18:17:56 [warn] 8645#8645: *1 stream [lua] content_by_lua(nginx.conf:59):12: message received: H, udp client: 127.0.0.1, server: 0.0.0.0:1994[27/Jan/2023:18:17:56 +0800] received: 1 0.000...
由于在 UDP 下面， ngx.req.socket:receive 目前只支持讀取第一個(gè)包，所以即使我們設(shè)置了 while true 循環(huán)，也得不到全部的客戶端請求。另外由于 content_by_lua 會(huì)覆蓋掉 proxy_* 指令，所以 Nginx 并沒有走代理邏輯，而是認(rèn)為當(dāng)前請求只有一個(gè)包。把 content_by_lua 改成 preread_by_lua 后，雖然 proxy_* 指令這下子生效了，但因?yàn)槟貌坏饺靠蛻舳苏埱螅廊粺o法完成 Lua 層面上的代理。
總結(jié)假如 Nginx 代理的是 DNS 這種只有一個(gè)包的基于 UDP 的協(xié)議，那么使用 listen udp 就夠了。但如果需要代理包含多個(gè)包的基于 UDP 的協(xié)議，那么還需要加上 reuseport。另外，Nginx 目前還不支持動(dòng)態(tài)設(shè)置每個(gè) UDP 會(huì)話的大小，所以沒辦法準(zhǔn)確區(qū)分不同的 UDP 會(huì)話。Nginx 代理 UDP 協(xié)議時(shí)能用到的功能，更多集中于像限流這種不需要關(guān)注單個(gè) UDP 會(huì)話的。
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