ASP.NET Core Web服务器 Kestrel和Http.sys 特性详解

1.1. 名词解释

内核态: CPU可以访问内存所有数据, 包括外围设备, 例如硬盘, 网卡. CPU也可以将自己从一个程序切换到另一个程序。

用户态: 只能受限的访问内存, 且不允许访问外围设备. 占用CPU的能力被剥夺, CPU资源可以被其他程序获取。

1.2. Kestrel基本工作原理

Kestrel是进程内服务器，以一个包形式提供，自身不能单独运行，必须HOST在一个.NET的WEB应用程序中。它内部封装了对libuv的调用，但不是libuv库简单的封装库。Kestrel是个精简的，高效的Http Server。

1.2.1. Kestrel的基本架构

Kestrel遵循以下架构原则：

libuv中使用单线程的事件循环模型。
Kestrel支持多事件循环以支持更多的I/O。
Kestrel仅在libuv的事件循环中做I/O工作。
所有非I/O工作，包括HTTP解析，请求帧处理等等都在标准的托管线程中进行。
更少的系统调用。

对应的架构图如下：

Libuv
作为I/O底层，屏蔽各系统底层实现差异，为windows下，通过IOCP实现异步；linux下通过epoll实现异步。提供一个主程序和主循环。
I/O事件队列
对应Libuv的工作队列，为了利用现代服务器的多核处理器，适当的队列数量将提高更大的I/O吞吐能力。Kestrel默认为每两个CPU核心设置一个I/O事件队列，但至少有一个I/O事件队列。每个队列对应一个托管线程，该线程不属于线程池。用户可以设置队列个数，通过设置KestrelServerOptions.ThreadCount即可，最多设置16个。
Kestrel线程
事件队列对应的托管线程，主要控制读取事件的循环机制：每次事件循环处理8个事件，然后等待下一次循环。
非托管内存池
这是在.net运行环境分配的非托管内存池，申请的比较大块的堆内存，仅在首次请求或者池剩余空间不足时分配，后续请求可以复用，不受GC管理。内存被分为n片，每片大小是128K，每页大小4k,管理内存页的数据结构采用链表方式。以获取大块连续空间的方式增长。遵循读完后立即释放的处理原则。
TCP监听器
这个监听器不同于套接字的监听器，而是Libuv的Socket类型的连接事件监听器。监听TCP连接事件,对每一个TCP请求产生一个连接对象。连接对象包括暂停，继续，终止。
连接管理
负责异步结束连接对象。
HTTP协议模块
该模块包括HTTP帧的创建工厂，工厂在监听器监听到一个连接时产生一个HTTP帧。一个HTTP帧处理一次HTTP请求和返回。

更为详细的结构

1.2.2. Kestrel的工作原理

1.2.2.1. 处理Request和Response

按照请求流转方向会有以下处理过程：

1. 请求进入libuv

将请求事件放入事件队列，随后的事件循环中，监听器回调函数执行。

2. 监听器创建连接

根据请求信息创建一个连接对象，此时Http帧工厂被调用，产生一个Http帧对象；用于读取Request的SocketInput、用于返回Response的SocketOutput对象被创建，二者会被Http帧使用。

3. 连接管理监控连接

连接管理器跟踪连接的状态，收集待关闭连接，然后异步关闭。

4. Http帧处理

一个Http负责构建Http上下文的Request对象和Response对象。读取Request数据和返回Response数据都要经过内存池。高效的内存读写和与和Libuv的读写事件协调，确保Request数据到达就能读到内存池，到达内存池就能及时被读；Response数据写入内存池就能被套接字及时发出去，体现了Kestreld强大的异步处理能力。

1.2.2.2. 内存池读写

读取内存池数据时可读取后续到达的数据，不需要重新等待事件，此时对应读取Request数据情形：

frameborder="0" scrolling="no" style="border-width: initial;border-style: none;width: 601px;height: 153px;">

写数据到内存池时，libuv连续读出并发送数据，也不需要重新等待时间，此时对应发送Response数据情形：

frameborder="0" scrolling="no" style="border-width: initial;border-style: none;width: 625px;height: 155px;">

1.2.2.3. Libuv线程和托管线程通信

二者的通信机制保证Libuv线程永远不会被阻塞：比如libuv线程在通知事件时会很小心尝试获取队线程私有锁，如果成功获取就这在事件队列线程上异步处理，否则这一通信过程在线程池里重复执行直到成功，如图：

1.3. Http.sys基本工作原理

1.3.1. Http.sys基本构成

1. 监听器

监听TCP请求，允许端口共享。TCP携带的HTTP报文会被Http Parser解析，名称映射首先会根据url确定对应的web app，然后把请求放入该app的消息队列中。

2. 消息队列

Http.sys给每个注册的web app一个消息队列。

3. 响应缓存

请求的静态资源和GET请求会缓存起来一段时间，如果请求url能匹配这直接返回缓存数据。

4. 响应模块

将数据返回给用户代理，如果返回的是可以缓存的资源，则会放入响应缓存中。

1.3.2. Http.sys工作原理

下图表示在ASP.NET Core应用中接受一个http请求到返回数据的过程：

这里的TCPIP.sys也是windows内核驱动，提供了TCPIP协议栈。
Http.sys的处理如在“基本构成”做所述。
ASP.NET Core应用程序里面HttpSys模块代表了Http.sys，它与应用程序代码交流，交流的载体是HTTP上下文。

1.3.3. 总结

Kestrel服务器运行在Asp.net core应用程序中，能高效的处理网络请求，且跨平台。Http.sys运行在内核态中，极大减少了系统调用次数，运行效率很高；自带生存环境的安全，鲁棒性等特点；它也可以作为反向代理，因此它的功能更加强大，主要问题是只能运行在windows下。Kestrel应用在生产环境中需要运行在代理服务器后面，以获取安全性，负载均衡等能力。

功能	Http.sys	Kerstrel
平台支持	Windows	Windows/Linux/Mac
静态文件	Yes	Yes
HTTP访问日志	Yes	No
端口共享/多应用程序	Yes	No
SSL证书	Yes	Internal*
Windows 授权	Yes	No
过滤请求&限制	Yes	No
IP&域名约束	Yes	No
HTTP重定向规则	Yes	No
WebSocket 协议	Yes	Middleware
缓存Response	Yes	No
压缩	Yes	Yes
FTP服务器	Yes	No
运行态	内核态	用户态