详解ASP.NET Core高性能服务器HTTP.SYS

如果我们只需要将ASP.NET CORE应用部署到Windows环境下，并且希望获得更好的性能，那么我们选择的服务器类型应该是HTTP.SYS。Windows环境下任何针对HTTP的网络监听器/服务器在性能上都无法与HTTP.SYS比肩。

一、HTTP.SYS简介

HTTP.SYS本质上就是一个HTTP/HTTPS监听器，它是Windows网络子系统的一部分，是一个在内核模式下运行的网络驱动。HTTP.SYS对应的驱动文件为“%WinDir\System32\drivers\http.sys”，不要小看这个只有1M多的文件，Windows系统针对HTTP的监听、接收、转发和响应大都依赖它。如图1所示，HTTP.SYS建立在Windows网络子系统针对TCPIP协议栈的驱动（TCPIP.SYS）之上，并为用户态运行的IIS提供基础的HTTP通信服务。前面我们使用的HttpListener也建立在HTTP.SYS上面。

图1 HTTP.SYS

由于HTTP.SYS是在操作系统内核态运行，所以它提供的性能优势是其他在用户态运行的同类产品无法比拟的。由于它自身提供响应缓存，所以在缓存命中的情况下根本不需要与用户态进程进行交互。它还提供了请求队列（Request Queue），如果请求的目标进程（比如IIS的工作进程）处于活动状态，它可以直接将请求分它给它，否则请求会暂存于队列中等待目标进程来提取，这样的工作模式既减少了内核态与用户态之间的上下文切换，也确保请求不会丢失。HTTP.SYS还提供连接管理，流量限制，诊断日志等功能，并提供针对Kerberos的Windows认证。

由于HTTP.SYS是一个底层共享的网络驱动，它有效地解决了端口共享的问题。用户态进程会使用地址前缀（含端口号）“接入”HTTP.SYS，后者利用提供的地址前缀来转发请求，多个用户态进程只要保证提供的地址前缀不同就可以了，所以它们可以使用相同的端口号。端口共享使每个用户进程都可以使用标准的80/443端口。

二、MessagePump & UseHttpSys

基于HTTP.SYS的服务器体现为如下这个MessagePump类型，它内部使用一个HttpSysListener对象采用注册的监听地址接入HTTP.SYS。MessagePump提供针对HTTP 1.X、HTTP 2以及HTTPS的支持。对于Windows Server 2022和Windows 11，还支持HTTP 3。IWebHostBuilder接口如下这两个UseHttpSys扩展方法用来完成针对MessagePump的注册。

internal class MessagePump : IServer, IDisposable
{
     internal HttpSysListener Listener { get; }
     public IFeatureCollection Features { get; }
     public MessagePump(IOptions<HttpSysOptions> options, ILoggerFactory loggerFactory,IAuthenticationSchemeProvider authentication);
     public Task StartAsync<TContext>(IHttpApplication<TContext> application,CancellationToken cancellationToken);
     public Task StopAsync(CancellationToken cancellationToken);
     public void Dispose();
}
public static class WebHostBuilderHttpSysExtensions
{
    [SupportedOSPlatform("windows")]
    public static IWebHostBuilder UseHttpSys(this IWebHostBuilder hostBuilder);

    [SupportedOSPlatform("windows")]
    public static IWebHostBuilder UseHttpSys(this IWebHostBuilder hostBuilder,Action<HttpSysOptions> options);
}

如下所示的是在Minimal API下调用UseHttpSys注册MessagePump 服务器的例子。

var builder = WebApplication.CreateBuilder(args);
builder.WebHost.UseHttpSys();
var app = builder.Build();
app.MapGet("/", () => "Hello World");
app.Run();

三、HttpSysOptions

在调用UseHttpSys扩展方法注册基于HTTP.SYS的MessagePump服务器的时候，我们可以利用提供的Action<HttpSysOptions>委托对相关的配置选项进行设置。HttpSysOptions的UrlPrefixes属性返回注册的监听地址前缀，但是最终是否这种直接注册到服务器上的监听器地址，取决于IServerAddressesFeature特性的PreferHostingUrls属性，这一点与KestrelServer是一致的。

public class HttpSysOptions
{
    public UrlPrefixCollection 	        UrlPrefixes { get; }
    public RequestQueueMode 		RequestQueueMode { get; set; }
    public string? 			RequestQueueName { get; set; }
    public long 			RequestQueueLimit { get; set; }
    public AuthenticationManager 	Authentication { get; }
    public ClientCertificateMethod 	ClientCertificateMethod { get; set; }
    public long? 			MaxConnections { get; set; }
    public long? 			MaxRequestBodySize { get; set; }
    public int 			        MaxAccepts { get; set; }
    public Http503VerbosityLevel 	Http503Verbosity { get; set; }
    public TimeoutManager 		Timeouts { get; }
    public bool 			AllowSynchronousIO { get; set; }
    public bool 			EnableResponseCaching { get; set; }
    public bool 			ThrowWriteExceptions { get; set; }
    public bool 			UnsafePreferInlineScheduling { get; set; }
    public bool 			UseLatin1RequestHeaders { get; set; }
}

HTTP.SYS利用请求队列来存放待处理的请求，我们可以利用RequestQueueMode属性决定创建一个新的队列或者使用现有的队列。该属性类型为如下这个RequestQueueMode枚举，枚举项Create表示创建新的队列，Attach表示使用现有的以RequestQueueName属性命名的对象，如果该队列不存在会抛出异常。CreateOrAttach提供了一个折中方案，如果指定名称的队列不存在就创建一个以此命名的新队列。该属性的默认值为Create，RequestQueueName属性默认值为Null（代表匿名队列），RequestQueueLimit属性表示队列的容量，默认值为1000。HttpSysOptions承载的很多配置选项只会应用到新创建的请求队列上。

public enum RequestQueueMode
{
    Create,
    Attach,
    CreateOrAttach
}

HttpSysOptions的Authentication属性返回一个AuthenticationManager对象，我们利用它完成针对认证的设置。我们可以利用Schemes属性设置认证方案，该属性默认为None。如果不允许匿名访问，可以将AllowAnonymous属性设为False。如果将AutomaticAuthentication属性返回True（默认值），认证用户将自动赋值给HttpContext上下文的User属性。AuthenticationDisplayName属性用来为认证方案提供一个显示名称。

public sealed class AuthenticationManager
{
    public AuthenticationSchemes 	Schemes { get; set; }
    public bool 			AllowAnonymous {get; set; }
    public bool 			AutomaticAuthentication { get; set; }
    public string? 			AuthenticationDisplayName { get; set; }
}

[Flags]
public enum AuthenticationSchemes
{
    None 				= 0x0,
    Digest 				= 0x1,
    Negotiate 				= 0x2,
    Ntlm 				= 0x4,
    Basic 				= 0x8,
    Anonymous 				= 0x8000,
    IntegratedWindowsAuthentication 	= 0x6
}

HTTPS站点可以要求提供证书来对其实施认证，HttpSysOptions的ClientCertificateMethod属性用于设置请求客户端证书的方式，该属性返回如下这个ClientCertificateMethod枚举。在.NET 5之前，客户端证书采用Renegotation的方式来提取的，Renegotiation是在已经建立的SSL/TLS连接上再次发起的一轮“协商握手”，这种方式对应AllowRenegotation枚举项。由于可能带来一些性能和死锁的问题，这种方式在.NET 5之后已经默认禁止了，目前默认的方式是创建SSL/TLS连接的初始阶段就提取该证书，这种方式对应AllowRenegotation枚举项，这也是ClientCertificateMethod属性的默认值。

public enum ClientCertificateMethod
{
    NoCertificate,
    AllowCertificate,
    AllowRenegotation
}

HttpSysOptions的MaxConnections和MaxRequestBodySize属性分别表示最大连接数和请求主体内容的最大字节数，如果它们被设置为Null，意味着忽略对应的限制。这两个属性的默认值分别Null和30,000,000。MaxAccepts属性表示接受的最大并发请求，默认值为当前处理器数量的5倍。如果并发请求数量超过限流设置，后续请求会拒绝处理，此时服务器会直接回复一个状态码为503的响应，与此同时还会根据Http503Verbosity属性设置的等级作相应的处理。如果该属性值为Basic（默认值），当前TCP连接会重置，Full和Limitmed选项会影响响应的状态描述，前者返回详细的Reason Phrase，后者采用标准的“Service Unavailable”。

public enum Http503VerbosityLevel
{
    Basic,
    Limited,
    Full
}

HttpSysOptions的Timeouts属性返回如下这个TimeoutManager对象，我们利用它完成各种超时设置，包括请求主体内容抵达时间（EntityBody）、读取请求主体内容时间（DrainEntityBody），请求在队列中存放的时间（RequestQueue）、连接闲置时间（IdleConnection）和解析请求报头时间（HeaderWait），这些超时时间默认都是两分钟。MinSendBytesPerSecond属性表示响应数据的最小发送率，默认为每秒150字节。

public sealed class TimeoutManager
{
    public TimeSpan 	EntityBody { get; set; }
    public TimeSpan 	DrainEntityBody { get; set; }
    public TimeSpan 	RequestQueue { get; set; }
    public TimeSpan 	IdleConnection { get; set; }
    public TimeSpan 	HeaderWait { get; set; }
    public long 	MinSendBytesPerSecond { get; set; }
}

HttpSysOptions还定义了其他一系列属性。AllowSynchronousIO属性（默认为False）表示是否运行以同步IO的方式完成针对请求和响应主体内容的读写。EnableResponseCaching属性（默认为True）表示允许响应缓存。ThrowWriteExceptions属性（默认为False）表示因断开连接导致写入响应主体内容失败是否需要抛出异常。如果将UnsafePreferInlineScheduling（默认为False）设置为True，意味着会直接在读取请求的IO线程中执行后续的应用代码，否则我们编写的应用代码会分发到线程池中进行处理。这样可以通过避免线程切换减少单个请求的处理耗时，但是会对整体的吞吐量带来负面影响。UseLatin1RequestHeaders属性（默认为False）表示是否采用Latin1字符集（ISO-8859-1）对请求报头进行编码。