状态模式：一个Epoll边缘触发的代理服务器设计

淩亂°似流年 2022-11-13 15:27 180阅读 0赞

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设计模式是一门热门的知识，但是何时应该用哪个，却往往不容易掌握，本文以一个Socks5代理服务器的设计为例，介绍状态模式的实践用法。

## 软件的功能介绍 ##

1.  提供Socks5代理功能，同时支持TCP和UDP
2.  可以转发代理连接，把代理服务器连接成代理链条
3.  使用Linux epoll边缘触发API用法
4.  期望能加入更多的非标准Socks5代理握手步骤或握手数据

## 代理网络拓扑模型 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70]

## Socks5代理协议 ##

Socke5代理协议同时支持TCP和UDP。因此代理握手交互也由2个不同协议承载。其TCP握手阶段包括：

1.  客户端提出代理请求
2.  服务器回应代理请求，并返回用户认证方式
3.  客户端根据认证方式发送认证消息
4.  服务器鉴权
5.  客户端发起TCP代理请求，提交目标地址和端口
6.  服务器回应是否对目标地址连接成功TCP
7.  客户端、服务器开始转发TCP流数据

UDP协议握手也是通过TCP连接运行，并且从这个TCP连接的状态来表示客户端是否还需要用此UDP代理通道。由于UDP是无连接状态的，所以代理的使用状态就只好使用一个TCP连接了：

1.  握手的前4个步骤和TCP是一样的。
2.  客户端发起UDP代理请求，提交客户端自己的UDP端口
3.  服务器回复UDP代理请求，新建一个给客户端发数据的UDP端口，并返回给客户端
4.  客户端通过以上端口，改用UDP协议发送数据 a) 客户端发送的每个UDP包都会加上一个10字节的头部，包含了目标服务器的地址 b)服务器回复的每个UDP包也会加上10字节头部，包含了来源服务器的地址 c)客户端和代理服务器间TCP连接如果中断，此次代理服务关闭，服务器将关闭所有UDP端口  
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可以看到，Socks5代理协议的握手其实是比较复杂。如果需要加上代理转发的功能，这个服务器软件处理实现服务器端协议，还需要实现客户端协议。这样整个系统的代理握手阶段的代码就有至少十个以上的过程。

另外，由于我们期望使用“边缘触发”的Epoll API来转发网络数据，所以我们必须要记录网络中的各种异步状态。由于“边缘触发”只会在发生事件时发起一次事件，而一个代理连接有两个方向，两个对端都可能存在堵塞和畅通。所以每个代理连接在握手完成后，还是要处理各种网络堵塞状态的过程。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
虽然问题比较繁琐，但是如果我们把系统看成是一个管道的模型，然后把这些过程归纳成状态，问题就很好解决了。因为每个管道，无非只有两种动作：读数据、写数据。而读写操作的目标端也只会有2个：客户端、目标服务端

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## 状态流转 ##

一旦我们确定了管道的模型和状态的想法，我们就能开始列举各种状态。在等待客户端连接的握手阶段，我们有“等待验证方法”“等待登录”“等待代理目标”三个状态。然后进入“等待转发连接”状态，根据客户端的需求，进入转发代理、TCP或者UDP三个不同的阶段。

转发代理阶段，就是实现客户端握手的过程，因此有“握手完成”“验证方法商定”“登录完成”三种状态，最后根据代理的需求，重新回到TCP和UDP两个阶段。

TCP阶段首先就是进入“TCP直连就绪”状态，或者“TCP转发就绪”状态，根据从上面不同的状态而来，然后就进入了管道流程的“双向畅通”“单向堵塞”“双向堵塞”三种流式状态。

UDP阶段比较简单，就是进入“UDP直连就绪”后开始转发数据就好了。

最后，都会进入一个“关闭”的状态。  
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## 状态模式的实现 ##

至此我们的实现已经很清楚了，就是先建立一个“会话”类型代表一个通道，而这个通道一共可能有15个状态，因此要定义15个类；每个“状态”的类型，都有“读”“写”两个接口需要实现；每个状态都可以跳转到其他状态  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]  
在编写每个状态的读写代码的时候，只要关注当前的读写数据应该如何解析和处理就好了，然后适当的跳转到其他状态就好了。比如在登录验证状态中，WaitingAuth::OnRead()方法就是解码出网络中的数据，然后检查用户名、密码，最后进入新的状态WatingCmd。

在已经建立好TCP通道的状态代码里，根据读写数据read()和write()的系统调用的返回值，判断应该如何修改会话的状态。而在单向堵塞的状态里，又可以根据不同端的数据，以不同的方式来继续处理读写。![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]

## 总结状态模式 ##

优点：

*  代码分拆比较自然，易于理解。经过几个人接手此系统，都能快速修改代码。
 *  扩展性好，可以用于改造其他协议。已经在socks5上添加了很多新内容
 *  内存管理比较简单，状态变量和执行代码完全分开。状态变量Session类以池化管理。
 *  很好的支持了epoll的边缘触发。能提高一点点性能。

缺点

*  状态之间由代码随意跳转，除了TCP管道有带状态流转控制外，其他代码都没有实现状态图约束。
 *  状态跳转上下文缺失，依赖Session对象，导致其结构复杂
 *  “UDP就绪状态”职责过多，没有继续细分状态，出过不少BUG，应该对转发还是直连划分更多的状态
 *  由于还需要支持P2P功能，所以可能还需要增加P2P的状态。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]

最后，总结一下状态模式的思考：

*  状态模式适合行为数量少，但由于状态复杂导致的代码复杂的场景。比如代理服务器本身的行为就是读和写数据。但是因为其内在状态很复杂，导致读写的数据内容千差万别，这种就比较适合状态模式。
 *  状态模式的标准描述，除了把状态定义成类，行为定位成方法外，还需要对附着状态的主体模型，定义各个状态的流转约束。如果能把这种流转图以数据形式抽取出来，则更容易调整复杂的状态流程，甚至不需要重新编译代码。
 *  状态模式的主要优点是能描述在复杂状态下，固定行为的不同内容。非常方便接手程序员以业务状态来理解代码。甚至无需完全理解代码都能添加、修改功能。
 *  状态模式的缺点也比较明确，就是状态对象本身的划分，如果太细会导致代码非常复杂。而且不适合复杂的行为，比如一个系统有很多种行为，在某些状态下可以用，有些状态又不可以有，这样在状态对象中的编码就会额外增加出很多复杂性。——这种情况往往用策略模式更方便。

[linux_epoll_IO]: https://www.bilibili.com/video/BV1iJ411S7mv/
[tcpip_5]: https://www.bilibili.com/video/BV1Mz4y1m7BD/
[c_c_ linux]: https://ke.qq.com/course/417774?flowToken=1013300
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221022/6fc1b309291c4cea8158398652182097.png
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