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高并发数据采集场景下,要优化Nginx反向代理来支持多个Netty数采服务并保证稳定的性能,可以从以下几个方面对Nginx进行优化配置。
直连模式(直接通过 Nginx 处理与后端 Netty 服务的连接,而不作为反向代理),很多配置将无法使用。以下是一些无法应用于直连模式的配置和原因:
proxy_*
配置: 直连模式下,Nginx 直接处理客户端请求并与后端服务建立连接,因此proxy_connect_timeout
、proxy_read_timeout
、proxy_send_timeout
、proxy_buffers
、proxy_buffer_size
等proxy_*
相关配置将不再适用。这些配置是针对代理模式设计的,用于调整 Nginx 转发请求到后端时的行为。proxy_request_buffering off
和tcp_nodelay
:
proxy_request_buffering off
主要用于避免缓冲请求体,在反向代理模式下用于优化实时性。但在直连模式下,Nginx 会直接处理客户端与后端服务的连接,因此不需要该配置。tcp_nodelay on
仍然有效,它禁用 Nagle 算法,有助于减少小数据包的延迟,但这个配置本身不依赖于代理模式。accept_mutex
:
accept_mutex on
配置用于避免多个工作进程同时接受连接(即避免“惊群效应”),在直连模式下,如果 Nginx 不作为反向代理而直接与后端建立连接,这个配置也通常不需要,因为连接接入和处理模式不同。upstream
和健康检查:
- 健康检查配置(如
nginx_upstream_check_module
)是针对 Nginx 作为反向代理时用于检查后端服务健康状态的配置。直连模式下如果没有进行负载均衡或使用代理服务器,这些配置将无法使用。keepalive_timeout
和keepalive_requests
:
- 这些配置在直连模式下仍然可能需要,但其意义略有不同。
keepalive_timeout
会影响连接在空闲时的保持时间,keepalive_requests
限制了每个连接的最大请求数。虽然这些配置不完全依赖于代理模式,它们在直连模式中依然重要,特别是在长连接场景下。worker_processes
和worker_cpu_affinity
:
- 这些配置用于调整 Nginx 的多进程并行处理能力,对于直连模式下的高并发连接优化仍然适用。
适用于直连模式的配置:
worker_processes
和worker_cpu_affinity
:对于高并发场景,仍然需要调整工作进程和 CPU 核心绑定。worker_connections
:调整每个工作进程能够处理的最大连接数,适用于高并发的直连模式。keepalive_timeout
和keepalive_requests
:优化连接的保持时间和请求数。tcp_nodelay on
:减少数据包的延迟,适用于实时性要求高的场景。epoll
和multi_accept
:优化事件处理机制,适用于高并发的 Linux 系统。
1. 调整Nginx工作进程与CPU绑定
-
默认情况下,Nginx的
worker_processes
数量通常与CPU核心数一致。对于4核CPU,可以设置为4
:worker_processes 4;
-
同时可以通过
worker_cpu_affinity
来将每个worker进程与一个CPU核心绑定,减少上下文切换的开销,提高CPU缓存命中率:worker_cpu_affinity 0001 0010 0100 1000;
这些数字分别对应CPU 0
、CPU 1
、CPU 2
、CPU 3
这4个CPU核心。
2. 调整Nginx连接数与并发处理能力
-
通过
worker_connections
设置每个worker的最大连接数。由于每秒有大量数据流入,适当调高这个值很重要。假设每秒有数千连接,可以设置一个较大的值,比如:events {worker_connections 4096; }
这意味着每个worker可以处理最多4096个连接,结合4个worker,理论最大连接数可达16384。
当前场景下,每秒有3000条消息上报,但这并不意味着总的连接数是固定的。每个采集点可能保持一个长连接来持续发送数据(连接数相对较少),也可能每次都建立新的连接(连接数会更高)。
worker_connections
设置的目的是保证每个Nginx worker可以处理足够多的并发连接。
3. 优化Nginx网络模型(使用epoll)
-
在Linux系统下,
epoll
是高效的I/O多路复用模型,适合高并发环境。确保在events
块中使用epoll
events {use epoll;multi_accept on; }
4. 增加请求缓存与队列能力
-
由于数据量大,可以通过设置
accept_mutex
为on
来避免惊群效应,确保请求在多个worker之间合理分发:accept_mutex on;
**惊群效应(THP)**是指当多个进程或线程等待同一个事件发生时,事件触发时所有进程或线程都被唤醒,争夺资源,导致性能下降。在Nginx的上下文 中,如果多个worker进程同时被唤醒来处理一个新的连接请求,而实际上只有一个worker能够成功处理这个请求,其它worker被唤醒但不能工作,就会造成 资源浪费。通过启用accept_mutex
,可以确保每次只有一个worker被唤醒来接受新的连接请求,减少不必要的竞争和浪费,从而避免惊群效应。
5. 避免缓存
-
默认情况下,Nginx 会在接收到客户端的完整请求后,先将请求体缓存在内存或磁盘中,然后再将整个请求一次性发送给后端服务。对于数据采集的场景,一般要求实时性较高,我们需要立即将数据转发给后端服务,而不需要等待整个请求完成,对于半包粘包问题由后端服务处理。
proxy_request_buffering off;
-
启用 TCP_NODELAY 选项,禁用 Nagle 算法。这可以减少数据包传输的延迟,有助于实时性要求较高的数据采集场景。
tcp_nodelay on;
6. 优化缓冲区与响应处理
-
根据1KB的数据大小,可以优化Nginx的缓冲区设置,确保它能高效处理数据。
-
调整客户端请求体缓冲区大小 (
client_body_buffer_size
) 和代理缓冲区大小 (proxy_buffers
):client_body_buffer_size 16k; proxy_buffer_size 16k; proxy_buffers 8 32k; proxy_busy_buffers_size 64k;
Nginx是流式处理的:Nginx在接收客户端请求时,会分批处理数据,而不是将整个流量积攒到缓冲区里。即使每秒钟传输的数据总量是3MB(3000 X 1KB ≈ 3MB),Nginx会在接收到数据时直接转发给后端,而不是缓存所有数据。Nginx在处理每个连接时,会根据流入的数据流量和后端响应的速度进行动态处理,不会把所有数据一次性存入缓冲区。
缓冲区的作用是处理单次请求的流量:client_body_buffer_size
和 proxy_buffers
的大小主要是为了处理单次请求的数据(1KB),确保不会频繁写入磁盘。client_body_buffer_size
应该设置为略大于单条数据的大小,一般为16KB
或者其倍数,这将允许Nginx在不写入临时文件的情况下,处理单个或多个小型数据块。
下面是这几个参数的详细解释:
client_body_buffer_size
定义客户端请求体的内存缓冲区大小。当客户端向Nginx发送数据时,Nginx会把请求体缓存在内存里,直到数据达到一定大小。如果请求体超过这个配置的大小,Nginx就会将超出的部分写入磁盘的临时文件中。在这次的场景中,每条消息大约1KB大小,设置client_body_buffer_size
为 16KB 的意义在于,可以有效地处理客户端发送的数据而不需要频繁地写入磁盘。如果单条数据小于这个值,所有数据都可以暂存在内存中,加快处理速度并减少磁盘I/O。写入磁盘会影响性能。
如果应用对消息的QoS要求较高的话,下面的配置会比较有用,但是一般情况下,不是特别重要的实时数据是不会用到的。如果没有后端响应要回传客户端的话,建议使用**proxy_buffering off;
**关闭对代理数据的缓存处理。
proxy_buffer_size
这是 Nginx 读取后端服务器响应时的单次读取缓冲区。每次从后端获取响应时,Nginx会先将响应暂时放在这个缓冲区中。例如:proxy_buffer_size
设置为16k
,Nginx每次从后端服务器读取16KB的数据,存放在这个缓冲区。proxy_buffers
是一组缓冲区,用来暂时存储从后端读取的数据,等待发送到客户端。proxy_buffers 8 32k
表示 Nginx 分配了 8 个 32KB 大小的缓冲区,来存储从后端获取的数据。也就是说,Nginx 可以在内存中临时存储最多8 * 32KB = 256KB
的响应数据。从proxy_buffer_size
中读取的数据会被进一步存放到proxy_buffers
中。当proxy_buffers
中的数据准备好后,Nginx开始将这些数据发送给客户端。proxy_busy_buffers_size
主要控制当Nginx在向客户端发送数据时,仍然处于“繁忙状态”的缓冲区大小。- 繁忙状态 是指缓冲区中的数据已经开始发送到客户端,但还没有完全发送出去。
- Nginx会在后台继续读取后端服务器的数据,并将这些数据存放到缓冲区中,而同时Nginx会在前台将已经读取到的数据发送给客户端。这个过程中,
proxy_busy_buffers_size
用来限制这个前台数据传输过程中,仍在被使用的缓冲区(繁忙缓冲区)的最大大小。 - 如果
proxy_busy_buffers_size
设置为64k
,则表示在发送给客户端的过程中,Nginx最多允许64KB
的缓冲区数据仍然处于忙碌状态(即正在被发送或等待发送)。 - 当繁忙缓冲区超过这个值时,Nginx会停止从后端读取更多数据,直到客户端接收完这些数据,从而避免前后端的流量不平衡。
7. 增加客户端连接保持与超时时间
-
在数据采集场景中,客户端可能会持续发送数据。因此可以增加客户端连接的保持时间,减少重复建立连接的开销:
keepalive_timeout 60; keepalive_requests 0;
-
keepalive_timeout
这是Nginx 在关闭这个连接之前等待的时间。当客户端发送完数据后,连接会被保持一段时间,而不是立即关闭。如果在keepalive_timeout
的时间内有新的数据发送,Nginx 会继续使用这个连接,从而避免了重新建立连接的开销。 -
keepalive_requests
是为了防止单个连接持续占用资源过久,限制在同一个保持连接(Keep-Alive连接)中,客户端最多可以发送的请求数量,而对于现在的数据采集场景,不需要限制每个长连接的请求数。
8. 优化反向代理配置
-
Nginx作为反向代理,负责将请求转发给后端Netty服务,配置时需要确保Nginx可以高效转发大流量的数据。
-
设置合适的
proxy_connect_timeout
和proxy_read_timeout
来保证大数据传输:proxy_connect_timeout 5s; proxy_read_timeout 120s; proxy_send_timeout 120s;
这三个参数主要用于控制Nginx与后端服务器(Netty服务)之间的连接和数据传输。proxy_connect_timeout
定义了Nginx与后端服务器建立连接的超时时间;proxy_read_timeout
定义了Nginx从后端服务器读取响应的超时时间;proxy_send_timeout
设置了Nginx发送请求到后端服务器的超时时间。
多网卡支持海量长连接
在反向代理过程中,NGINX 作为客户端与后端采集服务节点建立连接。在这种情况下,单个 IP 地址最多能够创建约 6 万个长连接。为了支持更多的连接,可以选择部署多个 NGINX 服务器或者配置多个 IP 地址。
配置多个 IP,需要使用 NGINX 内置的 split_clients
模块来定义一个变量 $multi_ip
,根据客户端的 IP 地址和端口号进行请求分流,需要确保所使用的 IP 地址在本地可用。
stream {split_clients "$remote_addr$remote_port" $multi_ip { 20% 192.168.0.105; 20% 192.168.0.106; 20% 192.168.0.107; 20% 192.168.0.108; * 192.168.0.109; }upstream netty_servers {server 192.168.0.211:8083;server 192.168.0.212:8083;}server {listen 8083;proxy_pass netty_servers;proxy_bind $multi_ip;}
}
9. 内核参数优化
-
可以调整Linux内核参数来配合Nginx,尤其是针对高并发场景的网络连接与文件描述符限制:
sysctl -w net.core.somaxconn=65535 sysctl -w net.core.netdev_max_backlog=65535 sysctl -w net.ipv4.tcp_max_syn_backlog=65535 ulimit -n 65535
10. SSL 缓存和复用
-
因为需要交换密钥等操作,SSL 握手过程很耗时,如果使用SSL,可以考虑开启SSL缓存和复用来优化SSL连接处理。通过启用 SSL Session 缓存,Nginx 可以将每个 SSL 会话的状态保存起来,在后续的连接中直接使用之前的会话状态,避免重复的 SSL 握手过程。
ssl_session_cache shared:SSL:10m; # 共享内存中缓存SSL会话,大小为10MB ssl_session_timeout 10m; # SSL会话缓存的超时时间为10分钟 ssl_protocols TLSv1.2 TLSv1.3; # 使用现代的安全协议 ssl_prefer_server_ciphers on; # 优先使用服务器指定的加密套件
-
当客户端与服务器第一次建立连接后,服务器会生成一个 Session ID 并保存在缓存中。后续相同客户端与服务器的连接可以重用这个会话 ID,跳过完整的握手过程,只需要进行快速的重新协商。
-
通过
ssl_session_timeout
保证了在复用的时间窗口内(10分钟内),可以重用会话。过了这个时间后,必须重新进行完整握手,这样可以确保长期会话不会被滥用。
11. 添加健康检查机制
-
Nginx 可以通过配置来定期检测后端服务的健康状况(主动健康检查)。健康检查机制有助于及时发现并隔离故障的服务实例,防止请求被路由到不可用的服务上。
nginx_upstream_check_module
模块不是 Nginx 的默认模块,需要单独编译或安装。upstream backend {server netty1.example.com:8080;server netty2.example.com:8080;server netty3.example.com:8080;# 健康检查配置check interval=3000 rise=2 fall=3 timeout=1000 type=http;# 指定健康检查的路径check_http_send "HEAD /health HTTP/1.0\r\nHost: $host\r\n\r\n";check_http_expect http_200; }
参数详解:
interval=3000
:表示 Nginx 每隔 3000 毫秒(即 3 秒)检查一次后端服务器的健康状态。rise=2
:表示后端服务器被认为健康之前,必须连续成功响应两次健康检查请求。fall=3
:表示后端服务器被认为不健康之前,连续失败三次健康检查请求。timeout=1000
:表示健康检查请求的超时时间为 1000 毫秒(即 1 秒)。如果在这段时间内没有得到响应,健康检查就会认为失败。type=http
:表示健康检查采用 HTTP 协议,默认情况下 Nginx 会发送一个 HEAD 请求到后端服务器的默认监听地址。check_http_send
指令用于定义 Nginx 向后端服务器发送的健康检查请求的具体内容。HEAD
:表示这是一个 HTTPHEAD
请求,HEAD
请求与GET
请求类似,但不会返回请求体的内容,只返回响应头。/health
:这是请求的路径,通常用于健康检查。Netty 服务应该监听这个路径,并在收到请求时返回相应的健康状态。HTTP/1.0
:这是请求使用的 HTTP 版本。虽然现在常用的是HTTP/1.1
,但由于HEAD
请求通常不需要响应体,使用HTTP/1.0
也是常见的做法。Host: $host
:这是请求中的Host
头部字段,用于指示请求的目标主机。$host
是一个变量,它会被替换为实际请求的目标主机名。\r\n
:这是换行符,用于分隔不同的 HTTP 请求头字段,最后一个是请求的结束标志。
check_http_expect
指的是望收到200 OK
状态码。
SpringBoot工程定义健康检查的接口
import org.springframework.http.ResponseEntity; import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping; import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMethod; import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;@RestController public class HealthController {/*** 处理 HEAD 请求。** @return ResponseEntity 表示响应的状态码*/@RequestMapping(value = "/health", method = RequestMethod.HEAD)public ResponseEntity<Void> health() {return ResponseEntity.ok().build();} }
虽然使用Nginx的请求超时和重试机制可以减少不健康服务的影响,但最佳实践仍然是显式配置健康检查,以确保请求只被转发到健康的后端服务。
-
被动健康检查是 Nginx 的内置功能,无需额外安装模块或配置复杂的健康检查逻辑。对于一般的反向代理需求,这种机制已经足够应对常见的故障情况。
upstream backend {server 192.168.0.211:8083 weight=3 max_fails=3 fail_timeout=30s slow_start=30s;server 192.168.0.212:8083 weight=1 max_fails=3 fail_timeout=30s slow_start=30s;server 192.168.0.213:8083 backup;server 192.168.0.214:8083 down; }
max_fails=3
表示如果一个服务器在fail_timeout
时间内连续失败 3 次,则认为该服务器不可用。fail_timeout=30s
表示在这个时间段内,如果某个服务器连续失败达到max_fails
次数(即 3 次),则该服务器会被标记为不可用。
自动切换机制如下:
- 当 Nginx 尝试向
192.168.0.211:8083
发送请求但未能成功时(例如连接超时、读写错误等),它不会立即停止尝试,而是继续在同一时间窗口内重试。 - 如果
192.168.0.211:8083
在接下来的 30 秒内连续失败 3 次,Nginx 会将其标记为不可用,并暂时不再向其发送新的请求。 - 一旦某个服务器被标记为不可用,Nginx 会根据配置的负载均衡算法(默认为轮询)选择其他可用的服务器来处理请求。在这个例子中,它会尝试将请求发送到
192.168.0.212:8083
。 - 被标记为不可用的服务器会在
fail_timeout
时间(30 秒)结束后重新参与请求分配,周而复始,直到服务恢复正常。 - 对于刚刚恢复的服务器,Nginx会在接下来的
slow_start=30s
内逐渐增加其接收的请求数量,而不是立即恢复正常负载。
12. 错误处理与重试策略
当出现网络异常或后端服务故障时,可以配置 Nginx 来自动重试请求,或者根据返回的状态码执行特定的操作,如重定向到另一个 URL 或返回特定的错误页面。
location / {proxy_pass http://backend;# 自动重试策略proxy_next_upstream error timeout invalid_header http_500 http_502 http_503 http_504;proxy_next_upstream_tries 2;proxy_next_upstream_timeout 10s;# 错误处理error_page 500 502 503 504 /50x.html;location = /50x.html {root /usr/share/nginx/html;}
}
proxy_next_upstream
指令定义了当遇到哪些类型的错误时 Nginx 将尝试切换到下一个可用的后端服务器。error
指与后端服务器的连接失败;timeout
指与后端服务器连接超时;invalid_header
指当从后端服务器接收到无效的响应头;其他就是后端服务响应的状态码。
proxy_next_upstream_tries
则定义了在切换到下一个后端之前尝试的次数。error_page
指令用于定义当出现特定错误码时,返回的页面。
这些配置不仅保护了站点免受常见攻击,还提高了系统的整体安全性。在实际部署时,可以根据具体需求调整配置项,确保既提高了安全性又不影响正常的服务运作。
需要说明的是,即便没有额外配置,Nginx 会对特定的错误(如 error
、timeout
、http_500
等)尝试自动重试。但是,默认重试的次数没有明确的数值,而是由后端服务器的数量决定,因为重试行为与 upstream
中定义的后端服务器列表紧密相关。Nginx 默认会尝试将请求转发到 upstream
配置中的其他服务器,直到尝试过所有健康的服务器或没有可用服务器为止。如果只有一个后端服务器,即使失败了也不会重试。如果有多个后端服务器,Nginx 会按配置的负载均衡算法逐个尝试。
默认情况下,重试不限制具体次数,而是受每个后端服务器响应超时时间(proxy_connect_timeout
和 proxy_read_timeout
参考优化反向代理配置中关于此参数的说明)以及 proxy_next_upstream_timeout
的影响。如果没有设置 proxy_next_upstream_timeout
,Nginx 会继续重试直到用尽后端服务器或客户端连接超时。
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