Go微服务网关的实现_Golang

Go微服务网关
网络基础大纲
- OSI七层网络协议
- 三次握手与四次挥手
- 为啥会出现大量的close_wait
- TCP 为啥需要拥塞控制
TCP 拥塞控制
为啥会出现粘包，拆包，如何处理
- 产生tcp粘包和拆包的原因
- 如何解决拆包粘包
- 如何获取完整应用数据报文
基于golang 实现TCP，UDP，Http服务端与客户端

Go微服务网关

从核心原理理解网关的本质

网关具备的基本功能：

支持多种协议代理：tcp/http/ websocket/grpc
支持多种负载均衡策略：轮询，权重轮询，hash一致性轮询
支持下游的服务发现：主动探测 / 自动服务发现
支持横向扩展：加机器就能解决高并发

借助网关处理高可用，高并发

限流：请求QPS限制
熔断：错误率达阈值则服务熔断
降级：确保核心业务可用
权限认证：请求拦截

网络基础大纲

OSI七层网络协议

Go微服务网关的实现

经典协议与数据包

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http 协议

GET/HTTP/1.1
Host：www.baidu.com
User-Agent:curl/7.55.1
Accept:*/*

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Websocket握手协议

Go微服务网关的实现

三次握手与四次挥手

三次握手的最主要的目的是保证连接是全双工的，可靠更多的是通过重传机制来保证的

因为连接是全双工的，双方必须都收到对方的FIN包及确认才可关闭

TCP报文格式：

Go微服务网关的实现

其中比较重要的字段有：

（1）序号（sequence number）：Seq序号，占32位，用来标识从TCP源端向目的端发送的字节流，发起方发送数据时对此进行标记。

（2）确认号（acknowledgement number）：Ack序号，占32位，只有ACK标志位为1时，确认序号字段才有效，Ack=Seq+1。

（3）标志位（Flags）：共6个，即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等。具体含义如下：

URG：紧急指针（urgent pointer）有效。ACK：确认序号有效。PSH：接收方应该尽快将这个报文交给应用层。RST：重置连接。SYN：发起一个新连接。FIN：释放一个连接。

需要注意的是：

javascript

不要将确认序号Ack与标志位中的ACK搞混了。确认方Ack=发起方Seq+1，两端配对。

三次握手连接：

Go微服务网关的实现

（1）首先客户端向服务器端发送一段TCP报文，其中：

标记位为`SYN，表示“请求建立新连接”;
序号为Seq=X（X一般为1）；
随后客户端进入SYN-SENT阶段。

（2）服务器端接收到来自客户端的TCP报文之后，结束LISTEN阶段。并返回一段TCP报文，其中：

标志位为SYN和ACK，表示“确认客户端的报文Seq序号有效，服务器能正常接收客户端发送的数据，并同意创建新连接”（即告诉客户端，服务器收到了你的数据）；
序号为Seq=y；
确认号为Ack=x+1，表示收到客户端的序号Seq并将其值加1作为自己确认号Ack的值；随后服务器端进入SYN-RCVD阶段。

（3）客户端接收到来自服务器端的确认收到数据的TCP报文之后，明确了从客户端到服务器的数据传输是正常的，结束SYN-SENT阶段。并返回最后一段TCP报文。其中：

标志位为ACK，表示“确认收到服务器端同意连接的信号”（即告诉服务器，我知道你收到我发的数据了）；
序号为Seq=x+1，表示收到服务器端的确认号Ack，并将其值作为自己的序号值；
确认号为Ack=y+1，表示收到服务器端序号Seq，并将其值加1作为自己的确认号Ack的值；
随后客户端进入ESTABLISHED阶段。

服务器收到来自客户端的“确认收到服务器数据”的TCP报文之后，明确了从服务器到客户端的数据传输是正常的。结束SYN-SENT阶段，进入ESTABLISHED阶段。

在客户端与服务器端传输的TCP报文中，双方的确认号Ack和序号Seq的值，都是在彼此Ack和Seq值的基础上进行计算的，这样做保证了TCP报文传输的连贯性。一旦出现某一方发出的TCP报文丢失，便无法继续"握手"，以此确保了"三次握手"的顺利完成。

四次挥手：

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（1）首先客户端想要释放连接，向服务器端发送一段TCP报文，其中：

标记位为FIN，表示“请求释放连接“；
序号为Seq=U；
随后客户端进入FIN-WAIT-1阶段，即半关闭阶段。并且停止在客户端到服务器端方向上发送数据，但是客户端仍然能接收从服务器端传输过来的数据。注意：这里不发送的是正常连接时传输的数据(非确认报文)，而不是一切数据，所以客户端仍然能发送ACK确认报文。

（2）服务器端接收到从客户端发出的TCP报文之后，确认了客户端想要释放连接，随后服务器端结束ESTABLISHED阶段，进入CLOSE-WAIT阶段（半关闭状态）并返回一段TCP报文，其中：

标记位为ACK，表示“接收到客户端发送的释放连接的请求”；
序号为Seq=V；
确认号为Ack=U+1，表示是在收到客户端报文的基础上，将其序号Seq值加1作为本段报文确认号Ack的值；
随后服务器端开始准备释放服务器端到客户端方向上的连接。客户端收到从服务器端发出的TCP报文之后，确认了服务器收到了客户端发出的释放连接请求，随后客户端结束FIN-WAIT-1阶段，进入FIN-WAIT-2阶段

前"两次挥手"既让服务器端知道了客户端想要释放连接，也让客户端知道了服务器端了解了自己想要释放连接的请求。于是，可以确认关闭客户端到服务器端方向上的连接了

（3）服务器端自从发出ACK确认报文之后，经过CLOSED-WAIT阶段，做好了释放服务器端到客户端方向上的连接准备，再次向客户端发出一段TCP报文，其中：

标记位为FIN，ACK，表示“已经准备好释放连接了”。注意：这里的ACK并不是确认收到服务器端报文的确认报文。
序号为Seq=W；
确认号为Ack=U+1；表示是在收到客户端报文的基础上，将其序号Seq值加1作为本段报文确认号Ack的值。

随后服务器端结束CLOSE-WAIT阶段，进入LAST-ACK阶段。并且停止在服务器端到客户端的方向上发送数据，但是服务器端仍然能够接收从客户端传输过来的数据。

（4）客户端收到从服务器端发出的TCP报文，确认了服务器端已做好释放连接的准备，结束FIN-WAIT-2阶段，进入TIME-WAIT阶段，并向服务器端发送一段报文，其中：

标记位为ACK，表示“接收到服务器准备好释放连接的信号”。
序号为Seq=U+1；表示是在收到了服务器端报文的基础上，将其确认号Ack值作为本段报文序号的值。
确认号为Ack=W+1；表示是在收到了服务器端报文的基础上，将其序号Seq值作为本段报文确认号的值。随后客户端开始在TIME-WAIT阶段等待2MSL

为什么要客户端要等待2MSL呢？见后文。

服务器端收到从客户端发出的TCP报文之后结束LAST-ACK阶段，进入CLOSED阶段。由此正式确认关闭服务器端到客户端方向上的连接。

客户端等待完2MSL之后，结束TIME-WAIT阶段，进入CLOSED阶段，由此完成“四次挥手”。

后“两次挥手”既让客户端知道了服务器端准备好释放连接了，也让服务器端知道了客户端了解了自己准备好释放连接了。于是，可以确认关闭服务器端到客户端方向上的连接了，由此完成“四次挥手”。

与“三次挥手”一样，在客户端与服务器端传输的TCP报文中，双方的确认号Ack和序号Seq的值，都是在彼此Ack和Seq值的基础上进行计算的，这样做保证了TCP报文传输的连贯性，一旦出现某一方发出的TCP报文丢失，便无法继续"挥手"，以此确保了"四次挥手"的顺利完成。

为什么客户端在TIME-WAIT阶段要等2MSL?

为的是确认服务器端是否收到客户端发出的ACK确认报文
保证TCP协议的全双共连接能够可靠关闭
保证这次连接的重复数据段从网络中消失

当客户端发出最后的ACK确认报文时，并不能确定服务器端能够收到该段报文。所以客户端在发送完ACK确认报文之后，会设置一个时长为2MSL的计时器。MSL指的是(最大的生命周期)Maximum Segment Lifetime：（30秒–1分钟）一段TCP报文在传输过程中的最大生命周期。2MSL即是服务器端发出为FIN报文和客户端发出的ACK确认报文所能保持有效的最大时长。

服务器端在1MSL内没有收到客户端发出的ACK确YwtlqsQhzW认报文，就会再次向客户端发出FIN报文；

如果客户端在2MSL内，再次收到了来自服务器端的FIN报文，说明服务器端由于各种原因没有接收到客户端发出的ACK确认报文。客户端再次向服务器端发出ACK确认报文，计时器重置，重新开始2MSL的计时；否则客户端在2MSL内没有再次收到来自服务器端的FIN报文，说明服务器端正常接收了ACK确认报文，客户端可以进入CLOSED阶段，完成“四次挥手”。

所以，客户端要经历时长为2SML的TIME-WAIT阶段；这也是为什么客户端比服务器端晚进入CLOSED阶段的原因

为啥会出现大量的close_wait

首先close_wait一般出现在被动关闭方
并发请求太多导致
被动关闭方未及时释放端口资源导致

func main() {
//1、监听端口
listener, err := net.Listen("tcp", "0.0.0.0:9090")
if err != nil {
fmt.Printf("listen fail, err: %v\n", err)
return
}
//2.建立套接字连接
for {
conn, err := listener.Accept()
if err != nil {
fmt.Printf("accept fail, err: %v\n", err)
continue
}
//3. 创建处理协程
go func(conn net.Conn) {
defer conn.Close() //思考题：这里不填写会有啥问题？
//服务端就有一个close，wait状态,客户端就有一个finally 状态
for {
var buf [128]byte
n, err := conn.Read(buf[:])
if err != nil {
fmt.Printf("read from connect failed, err: %v\n", err)
break
}
str := string(buf[:n])
fmt.Printf("receive from client, data: %v\n", str)
}
}(conn)
}
}

TCP为啥需要流量控制

由于通讯双方，网速不同。通讯方任一方发送过快都会导致对方的消息处理不过来，所以就需要数据放到缓冲区中
如果缓冲区满了，发送方还在疯狂发送，那接收方只能把数据包丢弃，因此我们需要控制发送速率
我们缓冲区剩余大小称之为接收窗口，用变量win表示，如果win=0，则发送方停止发送

Go微服务网关的实现

TCP 为啥需要拥塞控制

流量控制与拥塞控制是两个概念，拥塞控制是调节网络的负载
接收方网络资源繁忙，因未及时响应ACK导致发送方重传大量的数据，这样将会导致网络更加的拥堵
拥塞控制是动态调整win大小，不只是依赖缓冲区大小去确定窗口大小

TCP 拥塞控制

慢开始和拥塞避免
快速重传和快速恢复

Go微服务网关的实现

优化步骤3到步骤4：因为网络拥塞，有24直接降到1 ，会造成堵塞

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为啥会出现粘包，拆包，如何处理

Go微服务网关的实现

粘包、拆包表现形式

现在假设客户端向服务端连续发送了两个数据包，用packet1和packet2来表示，那么服务端收到的数据可以分为三种，现列举如下：

第一种情况，接收端正常收到两个数据包，即没有发生拆包和粘包的现象，此种情况不在本文的讨论范围内。

Go微服务网关的实现

第二种情况，接收端只收到一个数据包，由于TCP是不会出现丢包的，所以这一个数据包中包含了发送端发送的两个数据包的信息，这种现象即为粘包。这种情况由于接收端不知道这两个数据包的界限，所以对于接收端来说很难处理。

Go微服务网关的实现

第三种情况，这种情况有两种表现形式，如下图。接收端收到了两个数据包，但是这两个数据包要么是不完整的，要么就是多出来一块，这种情况即发生了拆包和粘包。这两种情况如果不加特殊处理，对于接收端同样是不好处理的。

Go微服务网关的实现

产生tcp粘包和拆包的原因

我们知道tcp是以流动的方式传输数据，传输的最小单位为一个报文段（segment）。tcp Header中有个Options标识位，常见的标识为mss(Maximum Segment Size)指的是，连接层每次传输的数据有个最大限制MTU(Maximum Transmission Unit)，一般是1500比特，超过这个量要分成多个报文段，mss则是这个最大限制减去TCP的header，光是要传输的数据的大小，一般为1460比特。换算成字节，也就是180多字节。

tcp为提高性能，发送端会将需要发送的数据发送到缓冲区，等待缓冲区满了之后，再将缓冲中的数据发送到接收方。同理，接收方也有缓冲区这样的机制，来接收数据。

发生TCP粘包、拆包主要是由于下面一些原因：

应用程序写入的数据大于套接字缓冲区大小，这将会发生拆包。
应用程序写入数据小于套接字缓冲区大小，网卡将应用多次写入的数据发送到网络上，这将会发生粘包。
进行mss（最大报文长度）大小的TCP分段，当TCP报文长度-TCP头部长度>mss的时候将发生拆包。
接收方法不及时读取套接字(socket)缓冲区数据，这将发生粘包。

如何解决拆包粘包

既然知道了tcp是无界的数据流，且协议本身无法避免粘包，拆包的发生，那我们只能在应用层数据协议上，加以控制。通常在制定传输数据时，可以使用如下方法：

使用带消息头的协议、消息头存储消息开始标识及消息长度信息，服务端获取消息头的时候解析出消息长度，然后向后读取该长度的内容。
设置定长消息，服务端每次读取既定长度的内容作为一条完整消息。
设置消息边界，服务端从网络流中按消息编辑分离出消息内容。

如何获取完整应用数据报文

使用带消息头的协议，头部写入包长度，然后在读取包内容
设置定长消息，每次读取定长内容，长度不够时空位补固定字符
设置消息边界，服务端从网络流中按消息边界分离出消息内容，一般使用 ‘\n’
更为复杂的协议：json，protobuf

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如何获取完整的数据报文

func main() {
//类比接收缓冲区
bytesBuffer := bytes.NewBuffer([]byte{})
// 发送
if err := Encode(bytesBuffer, "hello world 0 !!"); err != nil {
panic(err)
}
if err := Encode(bytesBuffer, "hello world 1 !!"); err != nil {
panic(err)
}
//读取
for {
if bt, err := Decode(bytesBuffer); err == nil {
fmt.Println(string(bt))
continue
}
break
}
}

如何获取完整的数据报文

tcp_server

func main() {
//simple tcp server
//1.监听端口
listener, err := net.Listen("tcp", "127.0.0.1:9090")
if err != nil {
fmt.Printf("tcp Listen fail,err: %v\n", err)
return
}
//2.接受请求
for {
conn, err := listener.Accept()
if err != nil {
fmt.Printf("tcp Accept fail,err: %v\n", err)
continue
}
//3.创建协程
go process(conn)
}
}
//4.创建的协程里面实现解码的功能
func process(conn net.Conn) {
defer conn.Close()
for {
bt, err := unpack.Decode(conn)
if err != nil {
fmt.Printf("read from connect failed, err: %v\n", err)
break
}
str := string(bt)
fmt.Printf("receive from client, data: %v\n", str)
}
}

tcp_client

func main() {
//1.连接tcp服务器
conn, err := net.Dial("tcp", "localhost:9090")
defer conn.Close()
if err != nil {
fmt.Printf("connect failed, err : %v\n", err.Error())
return
}
//2.实现编码
unpack.Encode(conn, "hello world 0!!!")
}

**unpack ** : 实现编码（encode）和解码（docode）功能

const Msg_Header = "12345678"
// 编码
func Encode(bytesBuffer io.Writer, content string) error {
//msg_header+content_len+content
//8+4+content_len
if err := binary.Write(bytesBuffer, binary.BigEndian, []byte(Msg_Header)); err != nil {
return err
}
clen := int32(len([]byte(content)))
// binary.BigEndian 大端字节实现的加密，
if err := binary.Write(bytesBuffer, binary.BigEndian, _phpclen); err != nil {
return err
}
if err := binary.Write(bytesBuffer, binary.BigEndian, []byte(content)); err != nil {
return err
}
return ^编程nil
}
// 解码
func Decode(bytesBuffer io.Reader) (bodyBuf []byte, err error) {
MagicBuf := make([]byte, len(Msg_Header))
//先读取header的大小
if _, err = io.ReadFull(bytesBuffer, MagicBuf); err != nil {
return nil, err
}
//比较得到的header和实际的Msg_Header 是否相同
if string(MagicBuf) != Msg_Header {
return nil, errors.New("msg_header error")
}
lengthBuf := make([]byte, 4)
if _, err = io.ReadFull(bytesBuffer, lengthBuf); err != nil {
return nil, err
}
// binary.BigEndian 大端字节实现的解密，得到实际数据的长度
length := binary.BigEndian.Uint32(lengthBuf)
bodyBuf = make([]编程客栈byte, length)
if _, err = io.ReadFull(bytesBuffer, bodyBuf); err != nil {
return nil, err
}
return bodyBuf, err
}