---

Асинхронный HTTP-прокси сервер

Реализация однопоточного асинхронного HTTP-прокси сервера на C++20 с использованием библиотеки Boost.Asio.

Проект представляет собой приложение, которое принимает HTTP-соединения, извлекает из запроса целевой хост, устанавливает с ним соединение и ретранслирует данные между клиентом и целевым сервером. Вся обработка сетевых операций выполняется асинхронно в одном потоке.

• Архитектура и реализация
• UML диаграммы
• Используемые технологии
• Начало работы
• Сборка проекта
• Использование
  • Запуск сервера
  • Пример использования с wget
  • Пример использования с nc и wget
• Тестирование
  • Запуск всех тестов
  • Модульные тесты (GTest)
  • Интеграционные тесты (Pytest)

Архитектура и реализация

• Однопоточная модель: Сервер функционирует в одном потоке управления. Для обработки множественных одновременных соединений используется кооперативная многозадачность, реализованная через сопрограммы (корутины) C++20. Это исключает состояние гонки (race conditions) и необходимость использования примитивов синхронизации. Интеграционный тест test_single_threaded_execution верифицирует, что идентификатор потока обработки сессии совпадает с PID процесса.

• Асинхронные операции ввода-вывода: Все сетевые операции (принятие соединений, чтение, запись, разрешение имен) реализованы с помощью boost::asio::co_spawn и boost::asio::use_awaitable. Это позволяет приостанавливать выполнение сопрограммы session на время ожидания I/O операции, не блокируя основной поток.

• Обработка сессии (session): Каждое новое клиентское соединение обрабатывается в отдельном экземпляре сопрограммы session. Жизненный цикл сессии включает следующие этапы:

  1. Асинхронное чтение HTTP-заголовков от клиента с помощью async_read_until до разделителя \r\n\r\n. Установлен лимит на максимальный размер заголовков (MAX_HEADERS_SIZE).
  2. Парсинг заголовков для извлечения значения поля Host функцией findHostPort.
  3. Асинхронное разрешение доменного имени и установка TCP-соединения с целевым сервером.
  4. Пересылка исходного клиентского запроса целевому серверу.
  5. Асинхронное чтение заголовков ответа от сервера до \r\n\r\n.
  6. Парсинг заголовков ответа для извлечения Content-Length (если присутствует) функцией findContentLength.
  7. Немедленная пересылка заголовков ответа клиенту.
  8. Потоковая передача тела ответа: данные читаются от сервера в буфер фиксированного размера и немедленно записываются клиенту до тех пор, пока сервер не закроет соединение (eof) или не будет прочитано Content-Length байт.

• Парсинг HTTP-заголовков: Реализован набор функций (iterHeaders, findHostPort, findContentLength), для итерации по заголовкам без выделения дополнительной памяти и копирования данных.

• Обработка ошибок: Исключения, возникающие в процессе сессии (например, невозможность подключиться к хосту), перехватываются в try/catch блоке внутри сопрограммы session. Клиенту в этом случае отправляется ответ HTTP/1.1 502 Bad Gateway. Соединение с клиентом также принудительно разрывается при нарушении лимитов:

  • Размер заголовков запроса превышает MAX_HEADERS_SIZE.
  • Заголовок Content-Length в ответе сервера превышает MAX_BODY_SIZE.
  • Отсутствует заголовок Host в запросе клиента.

• Управление ресурсами: Жизненный цикл сокетов и буферов управляется в рамках сопрограммы session. Завершение сопрограммы (штатное или из-за исключения) приводит к автоматическому закрытию сокетов и освобождению связанных ресурсов благодаря принципу RAII.

UML диаграммы

Компонентная диаграмма

flowchart LR
    C[Client] -->|HTTP Request| PRX[Async HTTP Proxy]
    PRX -->|HTTP Request| T[(Target Server)]
    T -->|HTTP Response| PRX
    PRX -->|HTTP Response| C

Loading

Используемые технологии

• C++20/23: Сопрограммы : awaitable, use_awatable, co_spawn, tcp::socket, async_read, async_read_until, async_write, transfer_at_least
• Boost.Asio: Низкоуровневая работа с сетью, реализация асинхронных операций.
• CMake: Система сборки проекта.
• GoogleTest: Фреймворк для модульного тестирования.
• Pytest: Фреймворк для интеграционного тестирования.

Начало работы

Рекомендуемый способ работы с проектом — использование Dev Containers в Visual Studio Code.

1. Нажмите F1 и выберите команду Dev Containers: Reopen in Container. Это откроет проект в Docker-контейнере с предустановленными зависимостями.

Сборка проекта

Команды следует выполнять в терминале внутри dev-контейнера.

1. Создание директории для сборки:

   mkdir -p build && cd build

2. Генерация файлов сборки:

   cmake ..

3. Компиляция проекта:

   make

Исполняемые файлы будут размещены в директории build.

Использование

Запуск сервера

Для запуска прокси-сервера необходимо указать порт для прослушивания.

./build/AsyncHttpProxy 5555

Пример использования с wget

Выполнение запроса к http://example.com через запущенный прокси-сервер:

wget -e use_proxy=yes -e http_proxy=127.0.0.1:5555 http://example.com

Пример использования с nc и wget

Эта последовательность команд демонстрирует полный цикл работы: запуск прокси, запуск тестового веб-сервера и выполнение запроса к нему через прокси.

Шаг 1: Переход в директорию сборки (если вы еще не там)

cd build

Шаг 2: Запуск прокси-сервера Запустите прокси-сервер в фоновом режиме на порту 5555.

./AsyncHttpProxy 5555 &

Шаг 3: Запуск тестового веб-сервера Запустите простой одноразовый веб-сервер на порту 8000 с помощью Python и netcat.

python3 -c 'print("HTTP/1.1 200 OK\r\nContent-Type: text/html\r\nContent-Length: 4096\r\n\r\n" + "A"*4096, end="")' | nc -l 127.0.0.1 -p 8000 &

Шаг 4: Выполнение запроса через прокси С помощью wget сделайте запрос к вашему локальному тестовому серверу (127.0.0.1:8000) через прокси.

wget -e use_proxy=yes -e http_proxy=127.0.0.1:5555 127.0.0.1:8000

Тестирование

Запуск всех тестов

Находясь в директории build, выполните команды:

ctest --verbose

Модульные тесты (GTest)

Проверяют функции парсинга заголовков (headers.cpp) на корректность обработки различных форматов входных данных.

ctest -R AsyncHttpProxy_Tests --verbose

Интеграционные тесты (Pytest)

Запускают экземпляр сервера и выполняют end-to-end тесты, эмулируя HTTP-клиента. Сценарии включают: базовые GET/POST запросы, проверку конкурентного доступа, обработку больших заголовков и тел ответов, а также верификацию однопоточной модели исполнения.

ctest -R Integration.PytestProxyTest --verbose