使用nginx作grpc的反向代理踩坑总结

本文记录使用nginx作gRPC的反向代理踩的坑和解决办法。

背景

众所周知，nginx是一款高性能的web服务器，常用于负载均衡和反向代理。所谓的反向代理是和正向代理相对应，正向代理即我们常规意义上理解的“代理”：例如正常情况下在国内是无法访问google的，如果我们需要访问，就需要通过一层代理去转发。这个正向代理代理的是服务端（也就是google），而反向代理则相反，代理的是客户端（也就是用户），用户的请求到达nginx后，nginx会代理用户的请求向实际的后端服务发起请求，并将结果返回给用户。

（图片来自维基百科）

正向代理和反向代理实际上是站在用户的角度来定义的，正向也就是代理用户所要请求的服务，而反向则是代理用户向服务发起请求。两者一个很重要的区别：

正向代理服务方不感知请求方，反向代理请求方不感知服务方。

思考一下上面的例子，你通过代理访问google时，google只能感知到请求来自代理服务器，而无法直接感知到你（当然通过cookie等手段也可以追踪到）；而通过nginx反向代理时，你是不感知请求具体被转发到哪个后端服务器上的。

nginx最常被用于反向代理的场景就是我们所熟知的http协议，通过配置nginx.conf文件可以很简单地定义一个反向代理规则：

worker_processes  1;

events {
    worker_connections  1024;
}

http {
    include       mime.types;
    default_type  application/octet-stream;

    server {
        listen       80;
        server_name  localhost;

        
        location / {
            proxy_pass http://domain;
        }
    }
}

nginx从1.13.10以后就支持gRPC协议的反向代理，配置类似：

worker_processes  1;

events {
    worker_connections  1024;
}

http {
    include       mime.types;
    default_type  application/octet-stream;

    server {
        listen       81 http2;
        server_name  localhost;

        
        location / {
            grpc_pass http://ip;
        }
    }
}

但是当需求场景更加复杂的时候，就发现nginx的gRPC模块实际上有很多坑，实现的能力不如http完整，当套用http的解决方案时就会出现问题

场景

最开始我们的场景很简单，通过gRPC协议实现一个简单的C/S架构：

但这种单纯的直连有些场景下是不可行的，例如client和server在两个网络环境下，彼此不相连通，那就无法通过简单的gRPC连接访问服务。一种解决办法是通过中间的代理服务器转发，用上面说的nginx反向代理gRPC方法：

nginx proxy部署在两个环境都能访问的集群上，这样就实现了跨网络环境的gRPC访问。随之而来的问题是如何配置这个路由规则？注意我们最开始的gRPC的目标节点都是清晰的，也就是server1和server2的ip地址，当中间加了一层nginx proxy后，client发起的gRPC请求的对象都是nginx proxy的ip地址。那client与nginx建立连接后，nginx如何知道需要将请求转发给server1还是server2呢？（这里server1和server2不是简单的同一个服务的冗备部署，可能需要根据请求的属性决定由谁响应，例如用户id等，因此不能使用负载均衡随机挑选一个响应请求）

解决办法

如果是http协议，那有很多实现方法：

• 通过路径区分

请求将server的信息添加在path里，例如：/server1/service/method，然后nginx转发请求的时候还原为原始的请求：

worker_processes  1;

events {
    worker_connections  1024;
}

http {
    include       mime.types;
    default_type  application/octet-stream;

    server {
        listen       80;
        server_name  localhost;

        location ~ ^/server1/ {
            proxy_pass http://domain1/;
        }
        
        location ~ ^/server2/ {
            proxy_pass http://domain2/;
        }
    }
}

注意http://domain/最后的斜杠，如果没有这个斜杠请求的路径会是/server1/service/method，而服务端只能响应/service/method的请求，这样就会报404的错误。

• 通过请求参数区分

也可以将server1的信息放在请求参数里：

worker_processes  1;

events {
    worker_connections  1024;
}

http {
    include       mime.types;
    default_type  application/octet-stream;

    server {
        listen       80;
        server_name  localhost;

        location /service/method {
            if ($query_string ~ x_server=(.*)) {
                proxy_pass http://$1;
            }
        }
    }
}

但对于gRPC就没这么简单了，首先gRPC不支持URI的写法，nginx转发的请求会保留原来的path，无法在转发的时候修改path，这意味着上述的第一种办法不可行。其次gRPC是基于HTTP 2.0协议的，HTTP2没有queryString这一概念，请求头里有一项:path代表请求的路径，例如/service/method，而这一路径是不能携带请求参数的，也就是:path不能写为/service/method?server=server1。这意味着上述的第二种方法也不可行。

注意到HTTP2中请求头:path是指定请求的路径的，那我们直接修改:path不就行了吗：

worker_processes  1;

events {
    worker_connections  1024;
}

http {
    include       mime.types;
    default_type  application/octet-stream;

    server {
        listen       80 http2;
        server_name  localhost;

        location ~ ^/(.*)/service/.* {
            grpc_set_header :path /service/$2;
            grpc_pass http://$1;
        }
    }
}

但是实际验证表明这种方法也不可行，直接修改:path的请求头会导致服务端报错，一种可能的错误如下：

rpc error: code = Unavailable desc = Bad Gateway: HTTP status code 502; transport: received the unexpected content-type "text/html"

抓包后发现，grpc_set_header并没有覆盖:path的结果，而是新增了一项请求头，相当于请求header里存在两个:path，可能就是因为这个原因导致服务端报了502的错误。

山穷水尽之际想起gRPC的metadata功能，我们可以在client端将server的信息存储在metadata中，然后在nginx路由时根据metadata中server的信息转发给对应的后端服务，这样就实现了我们的需求。对于go语言，设置metadata需要实现PerRPCCredentials接口，然后在发起连接的时候传入这个实现类的实例：

type extraMetadata struct {
    Ip string
}

func (c extraMetadata) GetRequestMetadata(ctx context.Context, uri ...string) (map[string]string, error) {
    return map[string]string{
        "x-ip": c.Ip,
    }, nil
}

func (c extraMetadata) RequireTransportSecurity() bool {
    return false
}

func main(){
    ...
    // nginxProxy是nginx proxy的ip或域名地址
    var nginxProxy string
    // serverIp是根据请求属性计算好的后端服务的ip
    var serverIp string
    con, err := grpc.Dial(nginxProxy, grpc.WithInsecure(),
        grpc.WithPerRPCCredentials(extraMetadata{Ip: serverIp}))
}

然后在nginx配置里根据这个metadata转发到对应的server：

worker_processes  1;

events {
    worker_connections  1024;
}

http {
    include       mime.types;
    default_type  application/octet-stream;

    server {
        listen       80 http2;
        server_name  localhost;

        location ~ ^/service/.* {
            grpc_pass grpc://$http_x_ip:8200;
        }
    }
}

注意这里使用了$http_x_ip这一语法引用了我们传递的x-ip这个metadata信息。这一方法验证有效，client可以通过nginx proxy成功访问到server的gRPC服务。

总结

nginx的gRPC模块的文档太少了，官方文档只给出了几个指令的用途，并没有说明metadata这一方法，网上的文档也鲜有涉及，导致花了两三天的时间在排查。将整个过程总结在这里，希望能帮助到遇到同一问题的人。