http代理服务器实现（web cache）

关键词：web cache 代理服务器 计网 计算机网络 socket http

这个项目是计算机网络的课程项目之一，要求使用socket编程实现http代理服务器，能够同时服务两个以上客户端同时访问，允许用户自行设置工作区。而我在这里使用的是比较熟悉的Java实现。
如果同学们有幸搜到了这篇文章，请有限制的借鉴，毕竟课程项目的初衷就是为了让同学们在时间中巩固知识，而不是交差拿高分。
本项目的架构如下，这是项目的类图：

服务器与客户端的交互过程图解如下：

代理服务器的机制是这样子的：它既可以作为服务器，响应来自浏览器客户端的请求，发送网页文件给浏览器客户端，同时，它也可以作为客户端，向网络中的web server发送请求来获取最新的信息。当它作为一个局域网的代理服务器时，如果它的所有缓存都为空，则局域网中所有连接它的主机的DNS请求，HTTP请求都要通过它发往外网中的DNS服务器和web服务器，它获取响应之后再进行缓存并发送回局域网中的客户端。
它的具体实现思路如下：
当监听到客户端发送数据报的socket后，代理服务器将提取数据报的首行，获取请求，读取缓存判断之前是否已经缓存该请求，若无，将此请求写入缓存文件。
从请求中提取主机名和端口，与服务器新建一个socket进行会话。检查本地缓存中是否有之前的响应数据，若有，寻找其中的Last-Modified:字段，并生成一个condition GET 请求发送给服务器，如果服务器返回304 Not Modified，就将相应的本地缓存发送至浏览器，如果没有缓存或者有更新，则将新的请求转发给浏览器，并将最新的缓存写入本地缓存中。
本地缓存的记录格式是：请求首行+响应内容。
注意：本程序会过滤掉无法访问的google网站和CONNECT请求
本程序一共由两个.java文件实现

HttpProxy.java

import java.io.File;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;

public class HttpProxy {
    public static String cachePath="";
    public static OutputStream writeCache;
    public static int TIMEOUT=5000;//response time out upper bound
    public static int RETRIEVE=5;//retry connection 5 times
    public static int CONNECT_PAUSE=5000;//waiting for connection
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket serverSocket;
        Socket currsoket=null;
            /** users need to setup work space */

            System.out.println("==============请输入缓存的存储目录，输入 d 则设置为默认目录（程序同一目录下）=================");
            Scanner scanner=new Scanner(System.in);
            cachePath=scanner.nextLine();
            if(cachePath.equals("d")){
                cachePath="defaul_cache.txt";
            }
            /** 初始化缓存写对象 */
            writeCache=new FileOutputStream(cachePath,true);
            System.out.println("=================================== 工作目录设置完毕====================================");

        try {
            //设置serversocket，绑定端口8888
            serverSocket=new ServerSocket(8888);
            int i=0;
            //循环，持续监听从这个端口的所有请求
            while(true){
                currsoket=serverSocket.accept();
                //启动一个新的线程来处理这个请求
                i++;
                System.out.println("启动第"+i+"个线程");
                new MyProxy(currsoket);
            }
        } catch (IOException e) {
            if (currsoket != null) {
                currsoket.close();//及时关闭这个socket
            }
            e.printStackTrace();
        }
        writeCache.close();//关闭文件输出流
    }
}

MyProxy.java

import java.io.*;
import java.net.Socket;
import java.net.SocketException;
import java.net.SocketTimeoutException;
import java.util.ArrayList;
import java.util.StringTokenizer;
import java.util.Vector;

public class MyProxy extends Thread {

    Socket socket ;//这个socket是这个线程与浏览器的socket

    String targetHost=null;
    String targetPort;
    InputStream inputStream_client;//这个输入流用来读取浏览器发过来的请求
    OutputStream outputStream_client;//这个输出流用来将数据发送到浏览器
    PrintWriter outPrintWriter_client;//这个writer用来向浏览器写入数据
    BufferedReader bufferedReader_client;//这个缓冲用来缓存浏览器的请求

    Socket accessSocket;//这个socket用来向网站连接

    InputStream inputStream_Web;//这个输入流用来读取从网站发回的响应
    OutputStream outputStream_Web;//这个输出流用来向网站发送请求
    PrintWriter outPrintWriter_Web;//这个writer用来向网站发送请求
    BufferedReader bufferedReader_web;//这个缓冲用来缓存想网站发送的请求

    String cacheFilePath;
    File file=null;
    FileInputStream fileInputStream;
    String url="";
    ArrayList<String>cache;
    int cache_url_index=-1;
    boolean has_cache_no_timestamp=false;

    public MyProxy(Socket inputSocket) throws IOException {
        socket=inputSocket;
        /** 创建一个文件对象 */
        file=new File(HttpProxy.cachePath);
        if (!file.exists()){//文件不存在则新建一个文件
            file.createNewFile();
        }

        fileInputStream=new FileInputStream(HttpProxy.cachePath);

        System.out.print("代理服务器启动\n");
        System.out.print("获取的socket来自"+inputSocket.getInetAddress()+":"+inputSocket.getPort()+"\n");

        inputStream_client=socket.getInputStream();//创建从浏览器获取请求的输入流
        bufferedReader_client=new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream_client));
        outputStream_client=socket.getOutputStream();//创建向浏览器发送响应的流
        outPrintWriter_client=new PrintWriter(outputStream_client);
        /** 读取缓存 */
        cache=readCache(fileInputStream);
        System.out.println("读到的缓存有"+cache.size()+"行");

        start();//启动本线程
    }
    public void run() {
        try {
            socket.setSoTimeout(HttpProxy.TIMEOUT);//设置最大等待时间，超过则自动断开连接
            String buffer;
            //debug
            System.out.println("从浏览器读取第一行....");
            buffer = bufferedReader_client.readLine();//从浏览器读取第一行请求
            System.out.println(buffer);


            /** 提取 url */
            url=getURL(buffer);
            /** 过滤一些杂乱的请求，比如Google的和一些后台的CONNECT请求还有QQ管家的监听 */
            if(buffer.contains("CONNECT")||buffer.contains("google")||buffer.contains("c.gj.qq.com")){
                System.out.println("请求"+buffer+"已被过滤");
                return ;//退出run()方法，该线程就自动结束
            }

            /** 将请求写入缓存文件,如果缓存中已经有相同的请求，就不再写入了 */
            boolean has_in_cache_already=false;
            for(String iter:cache){
                if (iter.equals(buffer)) {
                    has_in_cache_already = true;
                    break;
                }
            }
            if (has_in_cache_already==false){
                String temp = buffer + "\r\n";
                write_cache(temp.getBytes(), 0, temp.length());
            }

            /** 提取主机和端口 */
            String[] HostandPort=new String[2];
            if (buffer!=null)
             HostandPort= findHostandPort(buffer);
            targetHost = HostandPort[0];
            targetPort = HostandPort[1];

            System.out.println("提取的主机名:" + targetHost + " 提取的端口号: " + targetPort);

            /** 尝试与目标主机连接 */
            int retry = HttpProxy.RETRIEVE;
            while (retry-- != 0 && (targetHost != null)) {
                try {
                    accessSocket = new Socket(targetHost, Integer.parseInt(targetPort));
                    break;
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                Thread.sleep(HttpProxy.CONNECT_PAUSE);//等待
            }
            if (accessSocket != null) {//成功建立连接
                //debug
                System.out.println("请求将发送至:" + targetHost);
                accessSocket.setSoTimeout(HttpProxy.TIMEOUT);
                inputStream_Web = accessSocket.getInputStream();//获取网站返回的响应
                bufferedReader_web = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream_Web));
                outPrintWriter_Web = new PrintWriter(accessSocket.getOutputStream());//准备好向网站发送请求


                 /** 如果缓存文件为空 */
                if (cache.size()==0) {
                    /** 将请求直接发往网站，并获取响应，记录响应至缓存 */
                    sendRequestToInternet(buffer);
                    transmitResponseToClient();
                } else {//缓存文件不为空，寻找之前有没有缓存过该请求
                    String modifyTime;
                    String info="";
                    modifyTime=findModifyTime(cache,buffer);//提取modifytime
                    System.out.println("提取到的modifytime："+modifyTime);
                    if (modifyTime!=null||has_cache_no_timestamp){
                        /** 如果缓存的内容里面该请求是没有Last-Modify属性的，就不用向服务器查询If-Modify了，否则向服务器查询If-Modify */
                        if (!has_cache_no_timestamp){
                            buffer += "\r\n";
                            outPrintWriter_Web.write(buffer);
                            System.out.print("向服务器发送确认修改时间请求:\n" + buffer);
                            String str1 = "Host: " + targetHost + "\r\n";
                            outPrintWriter_Web.write(str1);
                            String str = "If-modified-since: " + modifyTime
                                    + "\r\n";
                            outPrintWriter_Web.write(str);
                            outPrintWriter_Web.write("\r\n");
                            outPrintWriter_Web.flush();
                            System.out.print(str1);
                            System.out.print(str);

                             info= bufferedReader_web.readLine();
                            System.out.println("服务器发回的信息是：" + info);
                        }

                        if (info.contains("Not Modified")||has_cache_no_timestamp) {//如果服务器给回的响应是304 Not Modified，就将缓存的数据直接发送给浏览器
                            int contentindex = 0;
                            String temp_response="";
                            System.out.println("使用缓存数据");
                            if (cache_url_index!=-1)
                            for (int i=cache_url_index+1;i<cache.size();i++){
                                if (cache.get(i).contains("http://"))
                                    break;
                                temp_response+=cache.get(i);
                                temp_response+="\r\n";

                            }
                            System.out.println("使用缓存：\n"+temp_response);
                            outputStream_client.write(temp_response.getBytes(),0,temp_response.getBytes().length);
                            outputStream_client.write("\r\n".getBytes(),0,"\r\n".getBytes().length);
                            outputStream_client.flush();
                        } else {
                            /** 服务器返回的不是304 Not Modified的话，就将服务器的响应直接转发到浏览器并记录缓存就好了 */
                            System.out.println("有更新，使用新的数据");
                            transmitResponseToClient();
                        }
                    }else{
                        /**缓存中没有找到之前的记录，直接将请求发送给网站，并接收响应，将响应写入缓存 */
                        sendRequestToInternet(buffer);
                        transmitResponseToClient();
                    }

                }
            }
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     *将请求发送给网站
     * @param buffer 请求的第一行报文
     * @throws IOException
     */
    private void sendRequestToInternet(String buffer) throws IOException {
        while(!buffer.equals("")){
            buffer+="\r\n";
            outPrintWriter_Web.write(buffer);
            System.out.print("发送请求:"+buffer+"\n");
            buffer=bufferedReader_client.readLine();
        }
        outPrintWriter_Web.write("\r\n");
        outPrintWriter_Web.flush();
    }

    /**
     * 提取主机名和端口
     * @param content 待提取的报文，这是请求的第一行
     * @return
     */
    private String[] findHostandPort(String content){
        String host=null;
        String port=null;
        String[] result=new String[2];
        int index;
        int portIndex;
        String temp;

        StringTokenizer stringTokenizer=new StringTokenizer(content);
        stringTokenizer.nextToken();//丢弃第一个字串 这是请求类型 比如GET POST
        temp=stringTokenizer.nextToken();//这个字串里面有主机名和端口

        host=temp.substring(temp.indexOf("//")+2);//比如 http://news.sina.com.cn/gov/2017-12-13/doc-ifypsqiz3904275.shtml -> news.sina.com.cn/gov/2017-12-13/doc-ifypsqiz3904275.shtml
        index=host.indexOf("/");
        if (index!=-1){
            host=host.substring(0,index);//比如 news.sina.com.cn/gov/2017-12-13/doc-ifypsqiz3904275.shtml -> news.sina.com.cn
            portIndex=host.indexOf(":");
            if (portIndex!=-1){
                port=host.substring(portIndex+1);//比如 www.ghostlwb.com:8080 -> 8080
                host=host.substring(0,portIndex);
            }else{//没有找到端口号，则加上默认端口号80
                port="80";
            }
        }
        result[0]=host;
        result[1]=port;
        return result;
    }

    /**
     * 提取URL
     * @param firstline 请求报文的第一行
     * @return
     */
    private String getURL(String firstline){
        StringTokenizer stringTokenizer=new StringTokenizer(firstline);
        stringTokenizer.nextToken();
        return stringTokenizer.nextToken();
    }

    /**
     * 这个函数做三件事：从网站接收响应，发送给浏览器，并将响应写入缓存
     * @throws IOException
     */
    private void transmitResponseToClient() throws IOException {

        byte[] bytes=new byte[2048];
        int length=0;

        while(true){
            if((length=inputStream_Web.read(bytes))>0){
                outputStream_client.write(bytes,0,length);
                String show_response=new String(bytes,0,bytes.length);
                System.out.println("服务器发回的消息是:\n---\n"+show_response+"\n---");
                write_cache(bytes,0,length);
                write_cache("\r\n".getBytes(),0,2);
                continue;
            }
            break;
        }

        outPrintWriter_client.write("\r\n");
        outPrintWriter_client.flush();
    }

    /**
     * 从文件中读取缓存内容，按行读取
     * @param fileInputStream
     * @return
     */
    private ArrayList<String> readCache(FileInputStream fileInputStream){
        ArrayList<String> result=new ArrayList<>();
        String temp;
        BufferedReader br=new BufferedReader(new InputStreamReader(fileInputStream));
        try {
            while((temp=br.readLine())!=null){
                result.add(temp);
            }

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return result;
    }

    /**
     * 将内容写入缓存，这两段代码参考网上的
     * @param c
     * @throws IOException
     */
    private void write_cache(int c) throws IOException {
            HttpProxy.writeCache.write((char) c);
    }

    private void write_cache(byte[] bytes, int offset, int len)
            throws IOException {
        for (int i = 0; i < len; i++)
            write_cache((int) bytes[offset + i]);
    }

    /**
     * 提取modifytime
     * @param cache_temp
     * @param request
     * @return
     */
    private String findModifyTime(ArrayList<String> cache_temp,String request){
        String LastModifiTime=null;
        int startSearching=0;
        has_cache_no_timestamp=false;

        System.out.println("将要比对的URL是"+request);
        for(int i=0;i<cache_temp.size();i++){

            if (cache_temp.get(i).equals(request)){
                startSearching=i;
                cache_url_index=i;
                for(int j=startSearching+1;j<cache_temp.size();j++){
                    if(cache_temp.get(j).contains("http://"))
                        break;
                    if (cache_temp.get(j).contains("Last-Modified:")){
                        LastModifiTime=cacheFilePath.substring(cache_temp.get(j).indexOf("Last-Modified:"));
                        return LastModifiTime;
                    }
                    if (cache_temp.get(j).contains("<html>")){
                        has_cache_no_timestamp=true;
                        return LastModifiTime;
                    }
                }
            }
        }

        return LastModifiTime;
    }

}

程序中都有十分详细的中文注释，如果有不明白的地方，欢迎在下面评论交流