HTTP 代理原理及实现(一)

Web 代理是一种存在于网络中间的实体,提供各式各样的功能。现代网络系统中,Web 代理无处不在。我之前有关 HTTP 的博文中,多次提到了代理对 HTTP 请求及响应的影响。今天这篇文章,我打算谈谈 HTTP 代理本身的一些原理,以及如何用 Node.js 快速实现代理。

HTTP 代理存在两种形式,分别简单介绍如下:

第一种是 RFC 7230 - HTTP/1.1: Message Syntax and Routing(即修订后的 RFC 2616,HTTP/1.1 协议的第一部分)描述的普通代理。这种代理扮演的是「中间人」角色,对于连接到它的客户端来说,它是服务端;对于要连接的服务端来说,它是客户端。它就负责在两端之间来回传送 HTTP 报文。

第二种是 Tunneling TCP based protocols through Web proxy servers(通过 Web 代理服务器用隧道方式传输基于 TCP 的协议)描述的隧道代理。它通过 HTTP 协议正文部分(Body)完成通讯,以 HTTP 的方式实现任意基于 TCP 的应用层协议代理。这种代理使用 HTTP 的 CONNECT 方法建立连接,但 CONNECT 最开始并不是 RFC 2616 - HTTP/1.1 的一部分,直到 2014 年发布的 HTTP/1.1 修订版中,才增加了对 CONNECT 及隧道代理的描述,详见 RFC 7231 - HTTP/1.1: Semantics and Content。实际上这种代理早就被广泛实现。

本文描述的第一种代理,对应《HTTP 权威指南》一书中第六章「代理」;第二种代理,对应第八章「集成点:网关、隧道及中继」中的 8.5 小节「隧道」。

普通代理

第一种 Web 代理原理特别简单:

HTTP 客户端向代理发送请求报文,代理服务器需要正确地处理请求和连接(例如正确处理 Connection: keep-alive),同时向服务器发送请求,并将收到的响应转发给客户端。

下面这张图片来自于《HTTP 权威指南》,直观地展示了上述行为:

web_proxy

假如我通过代理访问 A 网站,对于 A 来说,它会把代理当做客户端,完全察觉不到真正客户端的存在,这实现了隐藏客户端 IP 的目的。当然代理也可以修改 HTTP 请求头部,通过 X-Forwarded-IP 这样的自定义头部告诉服务端真正的客户端 IP。但服务器无法验证这个自定义头部真的是由代理添加,还是客户端修改了请求头,所以从 HTTP 头部字段获取 IP 时,需要格外小心。这部分内容可以参考我之前的《HTTP 请求头中的 X-Forwarded-For》这篇文章。

给浏览器显式的指定代理,需要手动修改浏览器或操作系统相关设置,或者指定 PAC(Proxy Auto-Configuration,自动配置代理)文件自动设置,还有些浏览器支持 WPAD(Web Proxy Autodiscovery Protocol,Web 代理自动发现协议)。显式指定浏览器代理这种方式一般称之为正向代理,浏览器启用正向代理后,会对 HTTP 请求报文做一些修改,来规避老旧代理服务器的一些问题,这部分内容可以参考我之前的《Http 请求头中的 Proxy-Connection》这篇文章。

还有一种情况是访问 A 网站时,实际上访问的是代理,代理收到请求报文后,再向真正提供服务的服务器发起请求,并将响应转发给浏览器。这种情况一般被称之为反向代理,它可以用来隐藏服务器 IP 及端口。一般使用反向代理后,需要通过修改 DNS 让域名解析到代理服务器 IP,这时浏览器无法察觉到真正服务器的存在,当然也就不需要修改配置了。反向代理是 Web 系统最为常见的一种部署方式,例如本博客就是使用 Nginx 的 proxy_pass 功能将浏览器请求转发到背后的 Node.js 服务。

了解完第一种代理的基本原理后,我们用 Node.js 实现一下它。只包含核心逻辑的代码如下:

var http = require('http');
var net = require('net');
var url = require('url');

function request(cReq, cRes) {
    var u = url.parse(cReq.url);

    var options = {
        hostname : u.hostname, 
        port     : u.port || 80,
        path     : u.path,       
        method     : cReq.method,
        headers     : cReq.headers
    };

    var pReq = http.request(options, function(pRes) {
        cRes.writeHead(pRes.statusCode, pRes.headers);
        pRes.pipe(cRes);
    }).on('error', function(e) {
        cRes.end();
    });

    cReq.pipe(pReq);
}

http.createServer().on('request', request).listen(8888, '0.0.0.0');

以上代码运行后,会在本地 8888 端口开启 HTTP 代理服务,这个服务从请求报文中解析出请求 URL 和其他必要参数,新建到服务端的请求,并把代理收到的请求转发给新建的请求,最后再把服务端响应返回给浏览器。修改浏览器的 HTTP 代理为 127.0.0.1:8888 后再访问 HTTP 网站,代理可以正常工作。

但是,使用我们这个代理服务后,HTTPS 网站完全无法访问,这是为什么呢?答案很简单,这个代理提供的是 HTTP 服务,根本没办法承载 HTTPS 服务。那么是否把这个代理改为 HTTPS 就可以了呢?显然也不可以,因为这种代理的本质是中间人,而 HTTPS 网站的证书认证机制是中间人劫持的克星。普通的 HTTPS 服务中,服务端不验证客户端的证书,中间人可以作为客户端与服务端成功完成 TLS 握手;但是中间人没有证书私钥,无论如何也无法伪造成服务端跟客户端建立 TLS 连接。当然如果你拥有证书私钥,代理证书对应的 HTTPS 网站当然就没问题了。

HTTP 抓包神器 Fiddler 的工作原理也是在本地开启 HTTP 代理服务,通过让浏览器流量走这个代理,从而实现显示和修改 HTTP 包的功能。如果要让 Fiddler 解密 HTTPS 包的内容,需要先将它自带的根证书导入到系统受信任的根证书列表中。一旦完成这一步,浏览器就会信任 Fiddler 后续的「伪造证书」,从而在浏览器和 Fiddler、Fiddler 和服务端之间都能成功建立 TLS 连接。而对于 Fiddler 这个节点来说,两端的 TLS 流量都是可以解密的。

如果我们不导入根证书,Fiddler 的 HTTP 代理还能代理 HTTPS 流量么?实践证明,不导入根证书,Fiddler 只是无法解密 HTTPS 流量,HTTPS 网站还是可以正常访问。这是如何做到的,这些 HTTPS 流量是否安全呢?这些问题将在下一节揭晓。

隧道代理

第二种 Web 代理的原理也很简单:

HTTP 客户端通过 CONNECT 方法请求隧道代理创建一条到达任意目的服务器和端口的 TCP 连接,并对客户端和服务器之间的后继数据进行盲转发。

下面这张图片同样来自于《HTTP 权威指南》,直观地展示了上述行为:

web_tunnel

假如我通过代理访问 A 网站,浏览器首先通过 CONNECT 请求,让代理创建一条到 A 网站的 TCP 连接;一旦 TCP 连接建好,代理无脑转发后续流量即可。所以这种代理,理论上适用于任意基于 TCP 的应用层协议,HTTPS 网站使用的 TLS 协议当然也可以。这也是这种代理为什么被称为隧道的原因。对于 HTTPS 来说,客户端透过代理直接跟服务端进行 TLS 握手协商密钥,所以依然是安全的,下图中的抓包信息显示了这种场景:

wireshark_connect

可以看到,浏览器与代理进行 TCP 握手之后,发起了 CONNECT 请求,报文起始行如下:

CONNECT imququ.com:443 HTTP/1.1

对于 CONNECT 请求来说,只是用来让代理创建 TCP 连接,所以只需要提供服务器域名及端口即可,并不需要具体的资源路径。代理收到这样的请求后,需要与服务端建立 TCP 连接,并响应给浏览器这样一个 HTTP 报文:

HTTP/1.1 200 Connection Established

浏览器收到了这个响应报文,就可以认为到服务端的 TCP 连接已经打通,后续直接往这个 TCP 连接写协议数据即可。通过 Wireshark 的 Follow TCP Steam 功能,可以清楚地看到浏览器和代理之间的数据传递:

wireshark_connect_detail

可以看到,浏览器建立到服务端 TCP 连接产生的 HTTP 往返,完全是明文,这也是为什么 CONNECT 请求只需要提供域名和端口:如果发送了完整 URL、Cookie 等信息,会被中间人一览无余,降低了 HTTPS 的安全性。HTTP 代理承载的 HTTPS 流量,应用数据要等到 TLS 握手成功之后通过 Application Data 协议传输,中间节点无法得知用于流量加密的 master-secret,无法解密数据。而 CONNECT 暴露的域名和端口,对于普通的 HTTPS 请求来说,中间人一样可以拿到(IP 和端口很容易拿到,请求的域名可以通过 DNS Query 或者 TLS Client Hello 中的 Server Name Indication 拿到),所以这种方式并没有增加不安全性。

了解完原理后,再用 Node.js 实现一个支持 CONNECT 的代理也很简单。核心代码如下:

var http = require('http');
var net = require('net');
var url = require('url');

function connect(cReq, cSock) {
    var u = url.parse('http://' + cReq.url);

    var pSock = net.connect(u.port, u.hostname, function() {
        cSock.write('HTTP/1.1 200 Connection Established\r\n\r\n');
        pSock.pipe(cSock);
    }).on('error', function(e) {
        cSock.end();
    });

    cSock.pipe(pSock);
}

http.createServer().on('connect', connect).listen(8888, '0.0.0.0');

以上代码运行后,会在本地 8888 端口开启 HTTP 代理服务,这个服务从 CONNECT 请求报文中解析出域名和端口,创建到服务端的 TCP 连接,并和 CONNECT 请求中的 TCP 连接串起来,最后再响应一个 Connection Established 响应。修改浏览器的 HTTP 代理为 127.0.0.1:8888 后再访问 HTTPS 网站,代理可以正常工作。

最后,将两种代理的实现代码合二为一,就可以得到全功能的 Proxy 程序了,全部代码在 50 行以内(当然异常什么的基本没考虑,这是我博客代码的一贯风格):

var http = require('http');
var net = require('net');
var url = require('url');

function request(cReq, cRes) {
    var u = url.parse(cReq.url);

    var options = {
        hostname : u.hostname, 
        port     : u.port || 80,
        path     : u.path,       
        method     : cReq.method,
        headers     : cReq.headers
    };

    var pReq = http.request(options, function(pRes) {
        cRes.writeHead(pRes.statusCode, pRes.headers);
        pRes.pipe(cRes);
    }).on('error', function(e) {
        cRes.end();
    });

    cReq.pipe(pReq);
}

function connect(cReq, cSock) {
    var u = url.parse('http://' + cReq.url);

    var pSock = net.connect(u.port, u.hostname, function() {
        cSock.write('HTTP/1.1 200 Connection Established\r\n\r\n');
        pSock.pipe(cSock);
    }).on('error', function(e) {
        cSock.end();
    });

    cSock.pipe(pSock);
}

http.createServer()
    .on('request', request)
    .on('connect', connect)
    .listen(8888, '0.0.0.0');

需要注意的是,大部分浏览器显式配置了代理之后,只会让 HTTPS 网站走隧道代理,这是因为建立隧道需要耗费一次往返,能不用就尽量不用。但这并不代表 HTTP 请求不能走隧道代理,我们用 Node.js 写段程序验证下(先运行前面的代理服务):

var http = require('http');

var options = {
    hostname : '127.0.0.1',
    port     : 8888,
    path     : 'imququ.com:80',
    method     : 'CONNECT'
};

var req = http.request(options);

req.on('connect', function(res, socket) {
    socket.write('GET / HTTP/1.1\r\n' +
                 'Host: imququ.com\r\n' +
                 'Connection: Close\r\n' +
                 '\r\n');

    socket.on('data', function(chunk) {
        console.log(chunk.toString());
    });

    socket.on('end', function() {
        console.log('socket end.');
    });
});

req.end();

这段代码运行完,结果如下:

HTTP/1.1 301 Moved Permanently
Server: nginx
Date: Thu, 19 Nov 2015 15:57:47 GMT
Content-Type: text/html
Content-Length: 178
Connection: close
Location: https://imququ.com/

<html>
<head><title>301 Moved Permanently</title></head>
<body bgcolor="white">
<center><h1>301 Moved Permanently</h1></center>
<hr><center>nginx</center>
</body>
</html>

socket end.

可以看到,通过 CONNECT 让代理打开到目标服务器的 TCP 连接,用来承载 HTTP 流量也是完全没问题的。

最后,HTTP 的认证机制可以跟代理配合使用,使得必须输入正确的用户名和密码才能使用代理,这部分内容比较简单,这里略过。在本文第二部分,我打算谈谈如何把今天实现的代理改造为 HTTPS 代理,也就是如何让浏览器与代理之间的流量走 HTTPS 安全机制。注:已经写完了,点这里查看

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提醒:本文最后更新于 382 天前,文中所描述的信息可能已发生改变,请谨慎使用。

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