為高負載網路優化 Nginx 和 Node.js

oschina發表於2013-01-25

　　在搭建高吞吐量web應用這個議題上，NginX和Node.js可謂是天生一對。他們都是基於事件驅動模型而設計，可以輕易突破Apache等傳統web伺服器的C10K瓶頸。預設的配置已經可以獲得很高的併發，不過，要是大家想在廉價硬體上做到每秒數千以上的請求，還是有一些工作要做的。

　　這篇文章假定讀者們使用NginX的HttpProxyModule來為上游的node.js伺服器充當反向代理。我們將介紹Ubuntu 10.04以上系統sysctl的調優，以及node.js應用與NginX的調優。當然，如果大家用的是Debian系統，也能達到同樣的目標，只不過調優的方法有所不同而已。

　　網路調優

　　如果不先對Nginx和Node.js的底層傳輸機制有所瞭解，並進行鍼對性優化，可能對兩者再細緻的調優也會徒勞無功。一般情況下，Nginx通過TCP socket來連線客戶端與上游應用。

　　我們的系統對TCP有許多門限值與限制，通過核心引數來設定。這些引數的預設值往往是為一般的用途而定的，並不能滿足web伺服器所需的高流量、短生命的要求。

　　這裡列出了調優TCP可供候選的一些引數。為使它們生效，可以將它們放在/etc/sysctl.conf檔案裡，或者放入一個新配置檔案，比如/etc/sysctl.d/99-tuning.conf，然後執行sysctl -p，讓核心裝載它們。我們是用sysctl-cookbook來幹這個體力活。

　　需要注意的是，這裡列出來的值是可以安全使用的，但還是建議大家研究一下每個引數的含義，以便根據自己的負荷、硬體和使用情況選擇一個更加合適的值。

net.ipv4.ip_local_port_range='1024 65000'
net.ipv4.tcp_tw_reuse='1'
net.ipv4.tcp_fin_timeout='15'
net.core.netdev_max_backlog='4096'
net.core.rmem_max='16777216'
net.core.somaxconn='4096'
net.core.wmem_max='16777216'
net.ipv4.tcp_max_syn_backlog='20480'
net.ipv4.tcp_max_tw_buckets='400000'
net.ipv4.tcp_no_metrics_save='1'
net.ipv4.tcp_rmem='4096 87380 16777216'
net.ipv4.tcp_syn_retries='2'
net.ipv4.tcp_synack_retries='2'
net.ipv4.tcp_wmem='4096 65536 16777216'
vm.min_free_kbytes='65536'

　　重點說明其中幾個重要的。

　　net.ipv4.ip_local_port_range

　　為了替上游的應用服務下游的客戶端，NginX必須開啟兩條TCP連線，一條連線客戶端，一條連線應用。在伺服器收到很多連線時，系統的可用埠將很快被耗盡。通過修改net.ipv4.ip_local_port_range引數，可以將可用埠的範圍改大。如果在/var/log/syslog中發現有這樣的錯誤: “possible SYN flooding on port 80. Sending cookies”，即表明系統找不到可用埠。增大net.ipv4.ip_local_port_range引數可以減少這個錯誤。

　　net.ipv4.tcp_tw_reuse

　　當伺服器需要在大量TCP連線之間切換時，會產生大量處於TIME_WAIT狀態的連線。TIME_WAIT意味著連線本身是關閉的，但資源還沒有釋放。將net_ipv4_tcp_tw_reuse設定為1是讓核心在安全時儘量回收連線，這比重新建立新連線要便宜得多。

　　net.ipv4.tcp_fin_timeout

　　這是處於TIME_WAIT狀態的連線在回收前必須等待的最小時間。改小它可以加快回收。

　　如何檢查連線狀態

　　使用netstat:

　　netstat -tan | awk ‘{print $6}’ | sort | uniq -c

　　或使用ss:

　　ss -s

　　NginX

　　隨著web伺服器的負載逐漸升高，我們就會開始遭遇NginX的某些奇怪限制。連線被丟棄，核心不停報SYN flood。而這時，平均負荷和CPU使用率都很小，伺服器明明是可以處理更多連線的狀態，真令人沮喪。

　　經過調查，發現有非常多處於TIME_WAIT狀態的連線。這是其中一個伺服器的輸出:

ss -s
Total: 388 (kernel 541)
TCP:   47461 (estab 311, closed 47135, orphaned 4, synrecv 0, timewait 47135/0), ports 33938

Transport Total     IP        IPv6
*          541       -         -        
RAW        0         0         0        
UDP        13        10        3        
TCP        326       325       1        
INET       339       335       4        
FRAG       0         0         0

　　有47135個TIME_WAIT連線！而且，從ss可以看出，它們都是已經關閉的連線。這說明，伺服器已經消耗了絕大部分可用埠，同時也暗示我們，伺服器是為每個連線都分配了新埠。調優網路對這個問題有一點幫助，但是埠仍然不夠用。

　　經過繼續研究，我找到了一個關於上行連線keepalive指令的文件，它寫道:

　　設定通往上游伺服器的最大空閒保活連線數，這些連線會被保留在工作程式的快取中。

　　有趣。理論上，這個設定是通過在快取的連線上傳遞請求來儘可能減少連線的浪費。文件中還提到，我們應該把proxy_http_version設為”1.1″，並清除”Connection”頭部。經過進一步的研究，我發現這是一種很好的想法，因為HTTP/1.1相比HTTP1.0，大大優化了TCP連線的使用率，而Nginx預設用的是HTTP/1.0。

　　按文件的建議修改後，我們的上行配置檔案變成這樣:

upstream backend_nodejs {
  server nodejs-3:5016 max_fails=0 fail_timeout=10s;
  server nodejs-4:5016 max_fails=0 fail_timeout=10s;
  server nodejs-5:5016 max_fails=0 fail_timeout=10s;
  server nodejs-6:5016 max_fails=0 fail_timeout=10s;
  keepalive 512;
}

　　我還按它的建議修改了server一節的proxy設定。同時，加了一個 p roxy_next_upstream來跳過故障的伺服器，調整了客戶端的 keepalive_timeout，並關閉訪問日誌。配置變成這樣:

server {
  listen 80;
  server_name fast.gosquared.com;

  client_max_body_size 16M;
  keepalive_timeout 10;

  location / {
    proxy_next_upstream error timeout http_500 http_502 http_503 http_504;
    proxy_set_header   Connection "";
    proxy_http_version 1.1;
    proxy_pass http://backend_nodejs;
  }

  access_log off;
  error_log /dev/null crit;
}

　　採用新的配置後，我發現伺服器們佔用的socket 降低了90%。現在可以用少得多的連線來傳輸請求了。新的輸出如下:

ss -s

Total: 558 (kernel 604)
TCP:   4675 (estab 485, closed 4183, orphaned 0, synrecv 0, timewait 4183/0), ports 2768

Transport Total     IP        IPv6
*          604       -         -        
RAW        0         0         0        
UDP        13        10        3        
TCP        492       491       1        
INET       505       501       4

　　Node.js

　　得益於事件驅動式設計可以非同步處理I/O，Node.js開箱即可處理大量的連線和請求。雖然有其它一些調優手段，但這篇文章將主要關注node.js的程式方面。

　　Node是單執行緒的，不會自動使用多核。也就是說，應用不能自動獲得伺服器的全部能力。

　　實現Node程式的叢集化

　　我們可以修改應用，讓它fork多個執行緒，在同一個埠上接收資料，從而實現負載的跨越多核。Node有一個cluster模組，提供了實現這個目標所必需的所有工具，但要將它們加入應用中還需要很多體力活。如果你用的是express，eBay有一個叫cluster2的模組可以用。

　　防止上下文切換

　　當執行多個程式時，應該確保每個CPU核同一時間只忙於一個程式。一般來說，如果CPU有N個核，我們應該生成N-1個應用程式。這樣可以確保每個程式都能得到合理的時間片，而剩下的一個核留給核心排程程式執行其它任務。我們還要確保伺服器上基本不執行除Node.js外的其它任務，防止出現CPU的爭用。

　　我們曾經犯過一個錯誤，在伺服器上部署了兩個node.js應用，然後每個應用都開了N-1個程式。結果，它們互相之間搶奪CPU，導致系統的負荷急升。雖然我們的伺服器都是8核的機器，但仍然可以明顯地感覺到由上下文切換引起的效能開銷。上下文切換是指CPU為了執行其它任務而掛起當前任務的現象。在切換時，核心必須掛起當前程式的所有狀態，然後裝載和執行另一個程式。為了解決這個問題，我們減少了每個應用開啟的程式數，讓它們公平地分享CPU，結果系統負荷就降了下來:

為重負網路優化 Nginx 和 Node.js