詳解Nginx如何代理UDP連接

目錄UDP 連接實驗基礎配置reuseportproxy_xxx directives動態代理總結UDP 連接

眾所周知，UDP 并不像 TCP 那樣是基于連接的。但有些時候，我們需要往一個固定的地址發送多個 UDP 來完成一個 UDP 請求。為了保證服務端能夠知道這幾個 UDP 包構成同一個會話，我們需要在發送 UDP 包時綁定某個端口，這樣當網絡棧通過五元組（協議、客戶端IP、客戶端端口、服務端IP、服務端端口）進行區分時，那幾個 UDP 包能夠分到一起。通常我們會把這種現象稱之為 UDP 連接。

但這樣又有了一個新的問題。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。雖然作為服務端，由于事先就跟客戶端約定好了一套固定的協議，可以知道一個 UDP 連接應當在何處終止。但如果中間使用了代理服務器，那么代理是如何區分某幾個 UDP 包是屬于某個 UDP 連接呢？畢竟沒有握手和揮手作為分隔符，一個中間人是不清楚某個會話應當在何處放下句號的。

通過下面的實驗，我們會看到 Nginx 是如何處理這個問題的。

實驗

在接下來的幾個實驗中，我都會用一個固定的客戶端。這個客戶端會向 Nginx 監聽的地址建立 UDP “連接”，然后發送 100 個 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)} }}基礎配置

下面是實驗中用到的 Nginx 基礎配置。后續實驗都會在這個基礎上做些改動。

這個配置中，Nginx 會有 4 個 worker 進程監聽 1994 端口，并代理到 1995 端口上。錯誤日志會發往標準錯誤，而訪問日志會發往標準輸出。

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 UDP 包分散到了每個 worker 進程上。看來 Nginx 并沒有把來自同一個地址的 100 個包當作同一個會話，畢竟每個進程都會讀取 UDP 數據。

reuseport

要想讓 Nginx 代理 UDP 連接，需要在 listen 時指定 reuseport：

... server {listen 1994 udp reuseport;access_log /dev/stdout basic;

現在全部 UDP 包都會落在同一個進程上，并被算作同一個會話：

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

多個進程在監聽同一個地址時，如果設置了 reuseport 時，Linux 會根據五元組的 hash 來決定發往哪個進程。這樣一來，同一個 UDP 連接里面的所有包就會落到一個進程上。

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），我們會發現同一個會話的地址是一樣的。也即是 Nginx 在代理到上游時，默認就會使用 UDP 連接來傳遞整個會話。

proxy_xxx directives

相信讀者也已經注意到，在錯誤日志中記錄的 UDP 訪問開始時間，和在訪問日志中記錄的結束時間，正好差了 10 秒。該時間段對應了配置里的 proxy_timeout 10s;。由于 UDP 連接中沒有揮手的說法，Nginx 默認根據每個會話的超時時間來決定會話何時終止。默認情況下，一個會話的持續時間是 10 分鐘，只是由于我缺乏耐心，所以特定配成了 10 秒。

除了超時時間，Nginx 還會依靠什么條件決定會話的終止呢？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 不再被動等待時間超時，而是在收到上游發來的包之后就終止了會話。proxy_timeout 和 proxy_responses 兩者間是“或”的關系。

和 proxy_responses 相對的有一個 proxy_requests：

...proxy_timeout 10s;proxy_responses 1;proxy_requests 50;

在配置了 proxy_requests 50 后，我們會看到每個請求的大小都穩定在 50 個 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

注意讓會話終止所需的上游響應的 UDP 數是 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 秒才會終止會話。因為這么做之后，對應每 50 個 UDP 包的請求，需要響應 100 個 UDP 包才會終止會話，而每個請求的 UDP 包只會得到一個 UDP 作為響應，所以只能等超時了。

動態代理

在大多數時候，UDP 請求的包數不是固定的，我們可能要根據開頭的某個長度字段來確定會話的包數，抑或通過某個包的包頭是否有 eof 標記來判斷什么時候終結當前會話。目前 Nginx 的幾個 proxy_* 指令都只支持固定值，不支持借助變量動態設置。

proxy_requests 和 proxy_responses 實際上只是設置了 UDP session 上的對應計數器。所以理論上我們可以修改 Nginx，暴露出 API 來動態調整當前 UDP session 的計數器的值，實現按上下文決定 UDP 請求邊界的功能。那是否存在不修改 Nginx 的解決方案呢？

換個思路，我們能不能通過 Lua 把客戶端數據都讀出來，然后在 Lua 層面上由 cosocket 發送給上游？通過 Lua 實現上游代理這個思路確實挺富有想象力，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包，所以即使我們設置了 while true 循環，也得不到全部的客戶端請求。另外由于 content_by_lua 會覆蓋掉 proxy_* 指令，所以 Nginx 并沒有走代理邏輯，而是認為當前請求只有一個包。把 content_by_lua 改成 preread_by_lua 后，雖然 proxy_* 指令這下子生效了，但因為拿不到全部客戶端請求，依然無法完成 Lua 層面上的代理。

總結

假如 Nginx 代理的是 DNS 這種只有一個包的基于 UDP 的協議，那么使用 listen udp 就夠了。但如果需要代理包含多個包的基于 UDP 的協議，那么還需要加上 reuseport。另外，Nginx 目前還不支持動態設置每個 UDP 會話的大小，所以沒辦法準確區分不同的 UDP 會話。Nginx 代理 UDP 協議時能用到的功能，更多集中于像限流這種不需要關注單個 UDP 會話的。

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