内网穿透工具【frp】的核心功能底层处理逻辑解析

文章目录

概述
技术架构
- 整体架构模式
- 核心组件关系
- - [1. 服务端核心组件](#1. 服务端核心组件)
  - [2. 客户端核心组件](#2. 客户端核心组件)
核心处理流程
- [1. 连接建立流程](#1. 连接建立流程)
- - 客户端登录过程
- [2. 消息处理机制](#2. 消息处理机制)
- - 消息分发架构
- [3. 代理创建与管理](#3. 代理创建与管理)
- - 代理生命周期管理
- [4. 心跳与连接保活](#4. 心跳与连接保活)
- - 心跳机制
高级功能实现
- [1. P2P模式与NAT穿透](#1. P2P模式与NAT穿透)
- [2. 多协议支持架构](#2. 多协议支持架构)
- - 代理类型工厂
  - 协议处理差异
- [3. 连接池与多路复用](#3. 连接池与多路复用)
- - 工作连接池设计
安全机制
- [1. 传输安全](#1. 传输安全)
- [2. 访问控制](#2. 访问控制)
项目地址

概述

frp（Fast Reverse Proxy）是一个高性能的反向代理应用，专注于内网穿透。本文档详细介绍了frp核心功能的底层处理逻辑，帮助第一次接触该项目的开发者深入理解其技术架构和实现原理。

技术架构

整体架构模式

frp采用典型的客户端-服务器（C/S）架构模式，包含以下核心组件：
外部用户 frps服务端内网客户端frpc 本地服务 ControlManager ProxyManager PluginManager ProxyManager VisitorManager Control连接

核心组件关系

1. 服务端核心组件

Service: 服务端主服务，负责管理所有连接和组件
ControlManager: 管理所有客户端控制连接
ProxyManager: 管理所有代理实例
MessageTransporter: 消息传输层，处理客户端-服务端通信

2. 客户端核心组件

Service: 客户端主服务，管理与服务端的连接
Control: 控制连接管理器，维护与服务端的控制通道
ProxyManager: 管理客户端代理实例
VisitorManager: 管理访问者连接（用于P2P）

核心处理流程

1. 连接建立流程

客户端登录过程

frpc客户端 frps服务端 ControlManager 发送Login消息验证认证信息创建Control实例返回LoginResp消息建立控制连接发送ReqWorkConn请求创建工作连接 frpc客户端 frps服务端 ControlManager

核心代码逻辑：

客户端登录：
- 客户端发送Login消息包含版本、主机名、认证信息
- 服务端验证认证信息（Token或OIDC）
- 创建唯一的RunID标识客户端会话

控制连接建立：

go 复制代码

// 服务端创建Control实例
ctl, err := NewControl(ctx, rc, pxyManager, pluginManager, 
                      authVerifier, ctlConn, !internal, loginMsg, serverCfg)

// 客户端创建Control实例
ctl := &Control{
    sessionCtx:     sessionCtx,
    msgDispatcher:  msg.NewDispatcher(conn),
    msgTransporter: transport.NewMessageTransporter(dispatcher.SendChannel()),
}

2. 消息处理机制

消息分发架构

frp使用了一套完善的消息处理系统，类似于HTTP2的多路复用机制：
网络连接 MessageDispatcher 消息解析类型路由 Handler处理 MessageTransporter 消息发送响应等待响应分发

核心实现：

消息分发器（Dispatcher）：

go 复制代码

type Dispatcher struct {
    rw io.ReadWriter
    sendCh         chan Message
    msgHandlers    map[reflect.Type]func(Message)
    defaultHandler func(Message)
}

// 注册消息处理器
dispatcher.RegisterHandler(&msg.NewProxy{}, handleNewProxy)
dispatcher.RegisterHandler(&msg.ReqWorkConn{}, handleReqWorkConn)

消息传输器（MessageTransporter）：

go 复制代码

type MessageTransporter interface {
    Send(msg.Message) error
    Do(ctx context.Context, req msg.Message, laneKey, recvMsgType string) (msg.Message, error)
    Dispatch(m msg.Message, laneKey string) bool
}

消息类型系统：
- 支持多种消息类型：Login、NewProxy、ReqWorkConn、StartWorkConn等
- 每种消息都有对应的处理逻辑和响应机制

3. 代理创建与管理

代理生命周期管理

发送NewProxy 服务端确认启动失败关闭代理重试健康检查失败重新启动 ProxyPhaseNew ProxyPhaseWaitStart ProxyPhaseRunning ProxyPhaseStartErr ProxyPhaseClosed ProxyPhaseCheckFailed

核心处理逻辑：

代理工厂模式：

go 复制代码

var proxyFactoryRegistry = map[reflect.Type]func(*BaseProxy, v1.ProxyConfigurer) Proxy{}

func RegisterProxyFactory(proxyConfType reflect.Type, factory func(*BaseProxy, v1.ProxyConfigurer) Proxy) {
    proxyFactoryRegistry[proxyConfType] = factory
}

代理包装器（Wrapper）：
- 管理代理状态和生命周期
- 实现健康检查机制
- 处理重连和错误恢复

工作连接处理：

go 复制代码

func (pm *Manager) HandleWorkConn(name string, workConn net.Conn, m *msg.StartWorkConn) {
    pw, ok := pm.proxies[name]
    if ok {
        pw.InWorkConn(workConn, m)  // 将工作连接分发给对应代理
    }
}

4. 心跳与连接保活

心跳机制

客户端服务端 Ping消息 Pong响应检查Pong超时重连或关闭 alt [超时检测] 检查Ping超时关闭连接 alt [服务端检测] loop [心跳循环] 客户端服务端

实现细节：

心跳发送：

go 复制代码

func (ctl *Control) heartbeatWorker() {
    sendHeartBeat := func() (bool, error) {
        pingMsg := &msg.Ping{}
        ctl.sessionCtx.AuthSetter.SetPing(pingMsg)
        return false, ctl.msgDispatcher.Send(pingMsg)
    }
    
    go wait.BackoffUntil(sendHeartBeat, backoffManager, true, ctl.doneCh)
}

超时检测：
- 客户端检测Pong消息超时
- 服务端检测Ping消息超时
- 超时后自动重连或关闭连接

高级功能实现

1. P2P模式与NAT穿透

NAT类型分类

frp实现了智能的NAT类型检测和穿透算法：
NAT类型检测 STUN服务器探测地址映射分析 NAT类型 EasyNAT: 端口固定 HardNAT: 端口变化行为分析端口变化规律 BehaviorNoChange BehaviorPortChanged BehaviorIPChanged BehaviorBothChanged

穿透模式选择

go 复制代码

type NatFeature struct {
    NatType            string  // EasyNAT/HardNAT
    Behavior           string  // 端口变化行为
    PortsDifference    int     // 端口差值
    RegularPortsChange bool    // 是否规律变化
    PublicNetwork      bool    // 是否公网
}

穿透算法：

模式0: 双方都是EasyNAT或一方在公网
- 简单的双向探测
- 低TTL消息探测
模式1: HardNAT与EasyNAT，端口变化规律
- 多端口范围探测
- 基于端口预测算法
模式2: HardNAT与EasyNAT，端口变化不规律
- 随机端口探测
- 多监听端口策略
模式3/4: 双HardNAT场景
- 复合探测策略
- 适应性算法选择

穿透实现流程

Visitor frps服务端 Client NatHoleVisitor消息 NatHoleClient消息分析NAT特征选择穿透策略 NatHoleResp（策略A） NatHoleResp（策略B） UDP探测包 UDP探测包 par [并发穿透] 建立P2P连接 Visitor frps服务端 Client

2. 多协议支持架构

代理类型工厂

go 复制代码

// 通用TCP代理
type GeneralTCPProxy struct {
    *BaseProxy
}

// UDP代理
type SUDPProxy struct {
    *BaseProxy
    cfg *v1.SUDPProxyConfig
    localAddr *net.UDPAddr
}

// HTTP代理（继承TCP）
func init() {
    RegisterProxyFactory(reflect.TypeOf(&v1.TCPProxyConfig{}), NewGeneralTCPProxy)
    RegisterProxyFactory(reflect.TypeOf(&v1.HTTPProxyConfig{}), NewGeneralTCPProxy)
    RegisterProxyFactory(reflect.TypeOf(&v1.SUDPProxyConfig{}), NewSUDPProxy)
}

协议处理差异

TCP类协议 (TCP/HTTP/HTTPS)：
- 使用GeneralTCPProxy统一处理
- 支持连接池和多路复用
- HTTP协议额外支持虚拟主机路由
UDP协议 (UDP/SUDP)：
- 无连接状态管理
- 数据包级别的转发
- 支持NAT穿透
特殊协议 (STCP/XTCP)：
- STCP：安全的内网直连
- XTCP：P2P模式的大数据传输

3. 连接池与多路复用

工作连接池设计

控制连接工作连接池 WorkConn1 WorkConn2 WorkConn3 用户请求代理分发

实现机制：

go 复制代码

type Control struct {
    workConnCh chan net.Conn  // 工作连接池
    poolCount  int             // 池大小
}

func (ctl *Control) GetWorkConn() (net.Conn, error) {
    select {
    case workConn := <-ctl.workConnCh:
        // 获取到连接后，请求服务端补充新连接
        ctl.msgDispatcher.Send(&msg.ReqWorkConn{})
        return workConn, nil
    case <-time.After(timeout):
        return nil, fmt.Errorf("获取工作连接超时")
    }
}

安全机制

1. 传输安全

TLS加密：控制和数据连接加密
Token验证：防止未授权访问
IP白名单：访问控制

2. 访问控制

用户权限：基于用户的代理访问控制
域名限制：HTTP代理的域名白名单
端口限制：服务端端口使用限制

项目地址

作者：https://afdian.com/a/fatedier

源码：https://github.com/fatedier/frp

在线文档：https://gofrp.org/zh-cn/docs/