Nginx支持WebSocket反向代理-学习小结

野性酷女 2023-08-17 16:47 138阅读 0赞

WebSocket是目前比较成熟的技术了，WebSocket协议为创建客户端和服务器端需要实时双向通讯的webapp提供了一个选择。其为HTML5的一部分，WebSocket相较于原来开发这类app的方法来说，其能使开发更加地简单。大部分现在的浏览器都支持WebSocket，比如Firefox，IE，Chrome，Safari，Opera，并且越来越多的服务器框架现在也同样支持WebSocket。

在实际的生产环境中，要求多个WebSocket服务器必须具有高性能和高可用，那么WebSocket协议就需要一个负载均衡层，NGINX从1.3版本开始支持WebSocket，其可以作为一个反向代理和为WebSocket程序做负载均衡。

WebSocket协议与HTTP协议不同，但WebSocket握手与HTTP兼容，使用HTTP升级工具将连接从HTTP升级到WebSocket。这允许WebSocket应用程序更容易地适应现有的基础架构。例如，WebSocket应用程序可以使用标准HTTP端口80和443，从而允许使用现有的防火墙规则。

WebSocket应用程序可以在客户端和服务器之间保持长时间运行的连接，从而有助于开发实时应用程序。用于将连接从HTTP升级到WebSocket的HTTP升级机制使用Upgrade和Connection头。反向代理服务器在支持WebSocket时面临一些挑战。一个是WebSocket是一个逐跳协议，因此当代理服务器拦截客户端的升级请求时，需要向后端服务器发送自己的升级请求，包括相应的头文件。此外，由于WebSocket连接长期存在，与HTTP使用的典型短期连接相反，反向代理需要允许这些连接保持打开状态，而不是关闭它们，因为它们似乎处于空闲状态。

允许在客户机和后端服务器之间建立隧道，NGINX支持WebSocket。对于NGINX将升级请求从客户端发送到后台服务器，必须明确设置Upgrade和Connection标题。

**Nginx开启websocket代理功能的配置如下：**

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 </td> 
 <td> <code>1）编辑nginx.conf，在http区域内一定要添加下面配置：</code> <code>map $http_upgrade $connection_upgrade { </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>default upgrade;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>''</code>&nbsp;<code>close;</code> <code>}</code> &nbsp; <code>map指令的作用：</code> <code>该作用主要是根据客户端请求中$http_upgrade 的值，来构造改变$connection_upgrade的值，即根据变量$http_upgrade的值创建新的变量$connection_upgrade，</code> <code>创建的规则就是{}里面的东西。其中的规则没有做匹配，因此使用默认的，即 $connection_upgrade 的值会一直是 upgrade。然后如果 $http_upgrade为空字符串的话，</code> <code>那值会是 close。</code> &nbsp; &nbsp; <code>2）编辑vhosts下虚拟主机的配置文件，在location匹配配置中添加如下内容：</code> <code>proxy_http_version 1.1;</code> <code>proxy_set_header Upgrade $http_upgrade;</code> <code>proxy_set_header Connection&nbsp;</code><code>"Upgrade"</code><code>;</code> &nbsp; <code>示例如下：</code> <code>upstream socket.kevin.com { </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>hash</code>&nbsp;<code>$remote_addr consistent;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>server 10.0.12.108:9000;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>server 10.0.12.109:9000;</code> <code>}</code> &nbsp; <code>&nbsp;</code><code>location / { </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>proxy_pass http:</code><code>//socket</code><code>.kevin.com/;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>proxy_set_header Host $host:$server_port;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>proxy_http_version 1.1;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>proxy_set_header Upgrade $http_upgrade;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>proxy_set_header Connection&nbsp;</code><code>"upgrade"</code><code>;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>}</code> </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

**WebSocket 机制**  
WebSocket是HTML5下一种新的协议。它实现了浏览器与服务器全双工通信，能更好的节省服务器资源和带宽并达到实时通讯的目的。它与HTTP一样通过已建立的TCP连接来传输数据，但是它和HTTP最大不同是：  
1） WebSocket是一种双向通信协议。在建立连接后，WebSocket服务器端和客户端都能主动向对方发送或接收数据，就像Socket一样；  
2）WebSocket需要像TCP一样，先建立连接，连接成功后才能相互通信。

传统HTTP客户端与服务器请求响应模式如下图所示：

![format_png][]

WebSocket模式客户端与服务器请求响应模式如下图：

![format_png 1][]

上图对比可以看出，相对于传统HTTP每次请求-应答都需要客户端与服务端建立连接的模式，WebSocket是类似Socket的TCP长连接通讯模式。一旦WebSocket连接建立后，后续数据都以帧序列的形式传输。在客户端断开WebSocket连接或Server端中断连接前，不需要客户端和服务端重新发起连接请求。在海量并发及客户端与服务器交互负载流量大的情况下，极大的节省了网络带宽资源的消耗，有明显的性能优势，且客户端发送和接受消息是在同一个持久连接上发起，实时性优势明显。

相比HTTP长连接，WebSocket有以下特点：  
1）是真正的全双工方式，建立连接后客户端与服务器端是完全平等的，可以互相主动请求。而HTTP长连接基于HTTP，是传统的客户端对服务器发起请求的模式。  
2）HTTP长连接中，每次数据交换除了真正的数据部分外，服务器和客户端还要大量交换HTTP header，信息交换效率很低。Websocket协议通过第一个request建立了TCP连接之后，之后交换的数据都不需要发送 HTTP header就能交换数据，这显然和原有的HTTP协议有区别所以它需要对服务器和客户端都进行升级才能实现（主流浏览器都已支持HTML5）。此外还有 multiplexing、不同的URL可以复用同一个WebSocket连接等功能。这些都是HTTP长连接不能做到的。

总的来说：  
WebSocket与Http相同点  
\-  都是一样基于TCP的，都是可靠性传输协议。  
\-  都是应用层协议。

WebSocket与Http不同点  
\-  WebSocket是双向通信协议，模拟Socket协议，可以双向发送或接受信息。HTTP是单向的。  
\-  WebSocket是需要浏览器和服务器握手进行建立连接的。而http是浏览器发起向服务器的连接，服务器预先并不知道这个连接。

WebSocket与Http联系  
WebSocket在建立握手时，数据是通过HTTP传输的。但是建立之后，在真正传输时候是不需要HTTP协议的。

在WebSocket中，只需要服务器和浏览器通过HTTP协议进行一个握手的动作，然后单独建立一条TCP的通信通道进行数据的传送。  
WebSocket连接的过程是：  
1）客户端发起http请求，经过3次握手后，建立起TCP连接；http请求里存放WebSocket支持的版本号等信息，如：Upgrade、Connection、WebSocket-Version等；  
2）服务器收到客户端的握手请求后，同样采用HTTP协议回馈数据；  
3）客户端收到连接成功的消息后，开始借助于TCP传输信道进行全双工通信。

下面再通过客户端和服务端交互的报文对比WebSocket通讯与传统HTTP的不同点：  
1）在客户端，new WebSocket实例化一个新的WebSocket客户端对象，请求类似 ws://yourdomain:port/path 的服务端WebSocket URL，客户端WebSocket对象会自动解析并识别为WebSocket请求，并连接服务端端口，执行双方握手过程，客户端发送数据格式类似：

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 1 2 3 4 5 6 7 </td> 
 <td> <code>GET&nbsp;</code><code>/webfin/websocket/</code>&nbsp;<code>HTTP</code><code>/1</code><code>.1</code> <code>Host: localhost</code> <code>Upgrade: websocket</code> <code>Connection: Upgrade</code> <code>Sec-WebSocket-Key: xqBt3ImNzJbYqRINxEFlkg==</code> <code>Origin: http:</code><code>//localhost</code><code>:8080</code> <code>Sec-WebSocket-Version: 13</code> </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

可以看到，客户端发起的WebSocket连接报文类似传统HTTP报文，Upgrade：websocket参数值表明这是WebSocket类型请求，Sec-WebSocket-Key是WebSocket客户端发送的一个 base64编码的密文，要求服务端必须返回一个对应加密的Sec-WebSocket-Accept应答，否则客户端会抛出Error during WebSocket handshake错误，并关闭连接。  
2）服务端收到报文后返回的数据格式类似：

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 1 2 3 4 </td> 
 <td> <code>HTTP</code><code>/1</code><code>.1 101 Switching Protocols</code> <code>Upgrade: websocket</code> <code>Connection: Upgrade</code> <code>Sec-WebSocket-Accept: K7DJLdLooIwIG</code><code>/MOpvWFB3y3FE8</code><code>=</code> </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

`Sec-WebSocket-Accept`的值是服务端采用与客户端一致的密钥计算出来后返回客户端的，`HTTP/1.1 101 Switching Protocols`表示服务端接受WebSocket协议的客户端连接，经过这样的请求-响应处理后，两端的WebSocket连接握手成功, 后续就可以进行TCP通讯了。

在开发方面，WebSocket API 也十分简单：只需要实例化 WebSocket，创建连接，然后服务端和客户端就可以相互发送和响应消息。在WebSocket 实现及案例分析部分可以看到详细的 WebSocket API 及代码实现。

腾讯云公网有日租类型七层负载均衡转发部分支持Websocket，目前包括英魂之刃、银汉游戏等多家企业已接入使用。当出现不兼容问题时，请修改websocket配置，websocket server不校验下图中圈出的字段：

![format_png 2][]

比如一个使用WebSocket应用于视频的业务思路如下：  
1）使用心跳维护websocket链路，探测客户端端的网红/主播是否在线  
2）设置负载均衡7层的proxy\_read\_timeout默认为60s  
3）设置心跳为50s，即可长期保持Websocket不断开

**Nginx代理webSocket经常中断的解决方法（也就是如何保持长连接）**

现象描述：用nginx反代代理某个业务，发现平均1分钟左右，就会出现webSocket连接中断，然后查看了一下，是nginx出现的问题。  
产生原因：nginx等待第一次通讯和第二次通讯的时间差，超过了它设定的最大等待时间，简单来说就是超时！

解决方法1  
其实只要配置nginx.conf的对应localhost里面的这几个参数就好  
proxy\_connect\_timeout;  
proxy\_read\_timeout;  
proxy\_send\_timeout;

解决方法2  
发心跳包，原理就是在有效地再读时间内进行通讯，重新刷新再读时间

配置示例：

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 </td> 
 <td> <code>http { </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>server { </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>location / { </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>root&nbsp;&nbsp; html;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>index&nbsp; index.html index.htm;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>proxy_pass http:</code><code>//webscoket</code><code>;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>proxy_http_version 1.1;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>proxy_connect_timeout 4s;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>#配置点1</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>proxy_read_timeout 60s;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>#配置点2，如果没效，可以考虑这个时间配置长一点</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>proxy_send_timeout 12s;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>#配置点3</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>proxy_set_header Upgrade $http_upgrade;&nbsp;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>proxy_set_header Connection&nbsp;</code><code>"Upgrade"</code><code>;&nbsp;&nbsp;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>}</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>}</code> <code>}</code> </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

关于上面配置2的解释  
这个是服务器对你等待最大的时间，也就是说当你webSocket使用nginx转发的时候，用上面的配置2来说，如果60秒内没有通讯，依然是会断开的，所以，你可以按照你的需求来设定。比如说，我设置了10分钟，那么如果我10分钟内有通讯，或者10分钟内有做心跳的话，是可以保持连接不中断的，详细看个人需求

**WebSocket与Socket的关系**  
\-  Socket其实并不是一个协议，而是为了方便使用TCP或UDP而抽象出来的一层，是位于应用层和传输控制层之间的一组接口。当两台主机通信时，必须通过Socket连接，Socket则利用TCP/IP协议建立TCP连接。TCP连接则更依靠于底层的IP协议，IP协议的连接则依赖于链路层等更低层次。  
\-  WebSocket就像HTTP一样，则是一个典型的应用层协议。  
总的来说：Socket是传输控制层接口，WebSocket是应用层协议。

[format_png]: /images/20230809/2023332057f84c0f836625507629fd8e.png
[format_png 1]: /images/20230809/193133a85bd34f0880bd5e39a3347319.png
[format_png 2]: /images/20230809/4473f76f50a94e96b18b5b88db5bad2c.png