Nest服务端开发与原理深度刨析

有使用过 Nodejs 开发过服务端吗？

服务端开发基础

Node.js 是一个基于 Chrome V8 引擎的 JavaScript 运行时环境，适合用于构建服务端应用程序。由于它的单线程、事件驱动和异步 I/O 模型，Node.js 尤其适合高并发的应用场景，例如 Web 服务器、实时应用和网络通信。

Node.js HTTP服务端开发

创建基本的HTTP服务器

Node.js的核心模块 http 提供了 HTTP 服务器的基本功能。通过这个模块，我们可以快速创建一个服务来处理 HTTP 请求和响应。

const http = require('http');
// 创建 HTTP 服务器
const server = http.createServer((req.res) => {
   // 设置响应头
   res.writeHead(200, {'Content-Type': 'text/plain'});
   // 返回响应内容
   res.end('Hello, MaxKin!/n');
});
// 监听端口
server.listen(3000, () => {
   console.log('Server running at http://127.0.0.1:3000/');
});

在这个示例中，我们创建了一个简单的 HTTP 服务器，它监听端口 3000，并在每次请求时返回“Hello, MaxKin!”的响应。 http.createServer()方法接受一个回调函数，这个回调函数会在每次收到 HTTP 请求时执行。

处理URL和参数请求

通过解析 URL 和请求参数，我们可以根据请求路径或查询字符串来处理不同的业务逻辑。

const url = require('url');

const server = http.createServer((req, res) => {
  const parsedUrl = url.parse(req.url, true); // 解析 URL

  // 处理不同的请求路径
  if (parsedUrl.pathname === '/') {
    res.writeHead(200, { 'Content-Type': 'text/html' });
    res.end('<h1>Home Page</h1>');
  } else if (parsedUrl.pathname === '/about') {
    res.writeHead(200, { 'Content-Type': 'text/html' });
    res.end('<h1>About Page</h1>');
  } else {
    res.writeHead(404, { 'Content-Type': 'text/html' });
    res.end('<h1>404 Not Found</h1>');
  }
});

server.listen(3000, () => {
  console.log('Server running at http://127.0.0.1:3000/');
});

处理POST请求

对于 POST 请求，Node.js 也可以处理请求体数据，通常需要监听 data 和 end 事件来处理数据流。

const server = http.createServer((req, res) => {
  if (req.method === 'POST') {
    let body = '';

    // 监听数据传入
    req.on('data', chunk => {
      body += chunk.toString(); // 将二进制数据转为字符串
    });

    // 数据接收完成
    req.on('end', () => {
      res.writeHead(200, { 'Content-Type': 'application/json' });
      res.end(JSON.stringify({ message: 'Data received', data: body }));
    });
  }
});

server.listen(3000, () => {
  console.log('Server running at http://127.0.0.1:3000/');
});

WebSocket实现实时通信

WebSocket 是一种基于 TCP 的协议，它实现了全双工通信，使得客户端和服务器可以在建立初次连接后，进行持续的、实时的双向数据通信。相较于传统的 HTTP 请求响应模型，WebSocket 极大提升了数据交互的效率，尤其适用于需要频繁通信的场景，例如实时聊天、股票行情、游戏等。

WebSocket通信的实现过程

下面的代码通过 Node.js 原生模块实现了 WebSocket 的基础原理，包括 HTTP 升级、数据帧处理等。整个过程分为四个步骤：

  1. 通过 HTTP 创建一个服务：首先我们需要启动一个 HTTP 服务器，等待客户端发起连接请求。
  2. 升级协议：当客户端请求 WebSocket 连接时，服务器通过 HTTP 101 状态码切换协议，升级为 WebSocket。
  3. 建立 WebSocket 连接：一旦协议升级成功，服务器和客户端就可以通过 WebSocket 进行通信。
  4. WebSocket 通信：双方通过特定格式的数据帧进行消息的发送与接收。
代码实现
import http from "node:http";
import crypto from "node:crypto";

// 1. 创建一个 http server
const server = http.createServer((req, res) => {
  console.log("http server", http.STATUS_CODES);
  const errorCode = 400;
  res.writeHead(errorCode, {
    "Content-Type": "text/plain",
  });
  res.end(
    `${http.STATUS_CODES[errorCode]}` // 你不能这样访问，因为我是一个 ws 服务
  );
});

// 2. 升级协议
server.on("upgrade", (req, socket, head) => {
  const key = req.headers['sec-websocket-key'];
  const acceptValue = generateAcceptValue(key);
  const resHeaders = [
    "HTTP/1.1 101 Switching Protocols",
    "Upgrade: websocket",
    "Connection: Upgrade",
    `Sec-WebSocket-Accept: ${acceptValue}`,
  ];

  // 发送 WebSocket 协议切换的响应头
  socket.write(resHeaders.join("\r\n") + "\r\n\r\n");

  /**
   * 数据接收
   */
  socket.on("data", (buffer) => {
    // 接收到的数据是 websocket 帧，直接 toString 可能会有问题
    console.log("收到的数据帧：", buffer.toString());

    // 发送一个 pong 响应
    socket.write(generateWebSocketFrame("pong"));
  });

  /**
   * 发送消息
   */
  const frame = generateWebSocketFrame("hello");
  socket.write(frame);
});

// 监听 3000 端口
server.listen(3000, () => {
  console.log("server is running on http://localhost:3000");
});

/**
 * 根据客户端的 websocket key 生成 Sec-WebSocket-Accept 值
 */
function generateAcceptValue(secureWebSocketKey: string) {
  return crypto
    .createHash("sha1")
    .update(secureWebSocketKey + "258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11", "binary")
    .digest("base64");
}

/**
 * 生成 WebSocket 数据帧
 * @param data 要发送的文本消息
 */
function generateWebSocketFrame(data: string) {
  // 将字符串转换为 buffer 处理
  const message = Buffer.from(data);

  // 分配一个新的 buffer 存储 websocket 帧
  const frame = Buffer.alloc(2 + message.length);

  // 数据帧的第一个字节是标志位，表示 FIN 位和操作码 (0x01 代表 FIN = 1 和 Text Frame)
  frame[0] = 0x01;

  // 数据帧的第二个字节表示数据长度（小于 126 的情况）
  frame[1] = message.length;

  // 将消息内容拷贝到 frame 中，从第三个字节开始
  message.copy(frame, 2);

  console.log("生成的数据帧：", message, frame);

  return frame;
}
代码详解
  1. 创建 HTTP 服务：首先我们创建了一个普通的 HTTP 服务器，当客户端通过 HTTP 请求时，返回 400 错误码，表明该服务仅支持 WebSocket 连接。
  2. 升级协议：当客户端发送Upgrade: websocket请求头时，服务器会捕获到upgrade事件。在这个事件处理程序中，我们通过Sec-WebSocket-Accept头部完成 WebSocket 协议的升级。
    • Sec-WebSocket-Accept是通过客户端发来的Sec-WebSocket-Key计算出的一个 Base64 编码的字符串，确保通信的合法性。
    • 完成协议升级后，服务器可以通过双工连接 (socket) 与客户端通信。
  3. WebSocket 数据帧：WebSocket 的通信是基于数据帧的。在这个例子中， generateWebsocketFrame函数构造了一个简单的文本帧，消息内容为 “hello”。WebSocket 帧由标志位、数据长度和实际数据组成。
  4. 通信过程：一旦 WebSocket 连接建立，服务器可以接收客户端发送的数据，并可以使用socket.write发送数据帧给客户端，实现双向通信。

使用 Express 简化 HTTP 开发

Express 概述

Express是一个基于 Node.js 的 Web 框架，提供了简洁的 API 和丰富的中间件支持，能够帮助开发者快速构建 Web 应用。

使用 Express 创建基本 HTTP 服务器

Express 可以极大地简化 HTTP 服务器的创建和路由管理。

const express = require('express');
const app = express();

// 设置基本路由
app.get('/', (req, res) => {
  res.send('Hello, Express!');
});

app.get('/about', (req, res) => {
  res.send('About Page');
});

// 启动服务器
app.listen(3000, () => {
  console.log('Express server running at http://127.0.0.1:3000/');
});

与原生http模块相比，Express 提供了更强大的路由系统和中间件机制，使开发者能够更高效地处理请求。

中间件机制

Express 中的中间件是处理请求和响应的核心机制。我们可以通过中间件来处理请求数据、验证权限、日志记录等操作。

const express = require('express');
const app = express();

// 中间件示例
app.use((req, res, next) => {
  console.log(`Request received: ${req.method} ${req.url}`);
  next(); // 调用 next() 继续执行
});

// 路由
app.get('/', (req, res) => {
  res.send('Hello, Express with Middleware!');
});

// 启动服务器
app.listen(3000, () => {
  console.log('Express server with middleware running at http://127.0.0.1:3000/');
});

你认为设计一个好的服务端架构体系，需要包含哪些模块和结构？

设计一个好的服务端架构体系，涉及到多个核心模块和结构，确保服务的性能、可维护性、安全性以及扩展性。以及常用的设计模式、架构原则（如 MVC）、数据库驱动等其他重要部分。
架构图

网络层

  • HTTP服务器：这是服务端最基础的部分，通过 HTTP 协议处理请求与响应。通过路由解析 URL，分发给相应的控制器来处理不同的请求类型。可以使用Node.js的http 模块或使用更高层的框架如Express.
  • WebSocket：用于实时通信，支持双向通信，通常用于需要实时更新的场景，如在线聊天、游戏等。Node.js 提供第三方库如ws 来实现 WebSocket。
  • TCP/IP通信：Node.js 的net模块可以用于实现底层 TCP 连接，适用于需要持久连接和高性能传输的场景，比如文件传输或实时流媒体。

鸽了，还没更新完，敬请期待