為高負載網路最佳化Nginx和Node.js的方法

在搭建高輸送量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並發，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來為上遊的node.js伺服器充當反向 Proxy。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，並進行針對性最佳化，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來串連用戶端與上遊應用。

我們的系統對TCP有許多門限值與限制，通過核心參數來設定。這些參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可供候選的一些參數。為使它們生效，可以將它們放在/etc/sysctl.conf檔案裡，或者放入一個新設定檔，比如 /etc/sysctl.d/99-tuning.conf，然後運行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參數的含義，以便根據自己的負荷、硬體和使用方式選擇一個更加合適的值。

複製代碼 代碼如下:<SPAN style="FONT-SIZE: 14px; COLOR: #009900; FONT-FAMILY: Microsoft YaHei"> 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' </SPAN>

重點說明其中幾個重要的。

net.ipv4.ip_local_port_range

為了替上遊的應用服務下遊的用戶端，NginX必須開啟兩條TCP串連，一條串連用戶端，一條串連應用。在伺服器收到很多串連時，系統的可用連接埠將很快被耗盡。通過修改net.ipv4.ip_local_port_range參數，可以將可用連接埠的範圍改大。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連接埠。增大net.ipv4.ip_local_port_range參數可以減少這個錯誤。

net.ipv4.tcp_tw_reuse

當伺服器需要在大量TCP串連之間切換時，會產生大量處於TIME_WAIT狀態的串連。TIME_WAIT意味著串連本身是關閉的，但資源還沒有釋放。將net_ipv4_tcp_tw_reuse設定為1是讓核心在安全時盡量回收串連，這比重建立立新串連要便宜得多。

net.ipv4.tcp_fin_timeout

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

如何檢查串連狀態

使用netstat:

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

或使用ss:

ss -s

NginX

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

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。串連被丟棄，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串連的狀態，真令人沮喪。

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

有47135個TIME_WAIT串連！而且，從ss可以看出，它們都是已經關閉的串連。這說明，伺服器已經消耗了絕大部分可用連接埠，同時也暗示我們，伺服器是為每個串連都分配了新連接埠。調優網路對這個問題有一點協助，但是連接埠仍然不夠用。

經過繼續研究，我找到了一個關於上行串連keepalive指令的文檔，它寫道:

設定通往上遊伺服器的最大空閑保活串連數，這些串連會被保留在背景工作處理序的緩衝中。

有趣。理論上，這個設定是通過在緩衝的串連上傳遞請求來儘可能減少串連的浪費。文檔中還提到，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，大大最佳化了 TCP串連的使用率，而Nginx預設用的是HTTP/1.0。

按文檔的建議修改後，我們的上行設定檔變成這樣: 複製代碼 代碼如下: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，調整了用戶端的 keepalive_timeout，並關閉訪問日誌。配置變成這樣: 複製代碼 代碼如下: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，我探索服務器們佔用的socket 降低了90%。現在可以用少得多的串連來傳輸請求了。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串連和請求。雖然有其它一些調優手段，但這篇文章將主要關注node.js的進程方面。

Node是單線程的，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進程的叢集化

我們可以修改應用，讓它fork多個線程，在同一個連接埠上接收資料，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。

防止環境切換

當運行多個進程時，應該確保每個CPU核同一時間只忙於一個進程。一般來說，如果CPU有N個核，我們應該產生N-1個應用進程。這樣可以確保每個進程都能得到合理的時間片，而剩下的一個核留給核心發送器運行其它任務。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個進程。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環境切換引起的效能開銷。環境切換是指CPU為了執行其它任務而掛起當前任務的現象。在切換時，核心必須掛起當前進程的所有狀態，然後裝載和執行另一個進程。為瞭解決這個問題，我們減少了每個應用開啟的進程數，讓它們公平地分享 CPU，結果系統負荷就降了下來:

請注意，看系統負荷(藍線)是如何降到CPU核心數(紅線)以下的。在其它伺服器上，我們也看到了同樣的情況。既然總的工作量保持不變，那麼中的效能改善只能歸功於環境切換的減少。