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• 簡介
• 為什么要再建一個代理
• 選擇建立我們自己的
• Pingora 項目
• 更多功能
• 總結(jié)

Cloudflare 公司去年宣布棄用 nginx，轉(zhuǎn)用自研的新一代方向代理服務(wù) Pingora，并號稱比nginx更快、更高效、更安全，下面通過 Cloudfare 官方網(wǎng)站的一篇文章來了解下 Pingora 比 Nginx 強(qiáng)在哪里？

簡介

今天，我們很高興有機(jī)會在此介紹 Pingora，這是我們使用 Rust 在內(nèi)部構(gòu)建的新 HTTP 代理，它每天處理超過 1 萬億個請求，提高了我們的性能，并為 Cloudflare 客戶帶來了許多新功能，同時只需要我們以前代理基礎(chǔ)架構(gòu)的三分之一的 CPU 和內(nèi)存資源。

隨著 Cloudflare 規(guī)模的擴(kuò)大，我們已經(jīng)超越了 NGINX 的處理能力。多年來它一直運(yùn)作良好，但隨著時間的推移，它在我們規(guī)模上的局限性意味著我們有必要構(gòu)建一些新的東西。我們無法再獲得我們所需要的性能，NGINX 也沒有我們在非常復(fù)雜的環(huán)境中所需要的功能。

為什么要再建一個代理

作為世界上最大的免費(fèi) CDN 服務(wù)商，Cloudflare 的代理端層運(yùn)行這世界上最大Web請求，每天的客戶端請求超萬億。之前 Cloudflare 的代理端層架構(gòu)一度使用的基于內(nèi)部定制化的 Nginx 服務(wù)器，但是無論在性能上，規(guī)模上以及功能層面都面臨日益困窘的局面。

架構(gòu)的限制損害了性能

NGINX worker（進(jìn)程）架構(gòu)對于我們的用例而言存在操作缺陷，這會損害我們的性能和效率。

首先，在 NGINX 中，每個請求只能由單個 worker 處理。這會導(dǎo)致所有 CPU 內(nèi)核之間的負(fù)載不平衡，從而導(dǎo)致速度變慢。

由于這種請求進(jìn)程鎖定效應(yīng)，執(zhí)行重CPU 或阻塞IO 任務(wù)的請求可能會減慢其他請求的速度。舉實(shí)際用例來說，最大問題問題是連接重用性問題。代理層節(jié)點(diǎn)機(jī)器與源服務(wù)器建立TCP 連接以代理HTTP 請求。連接重用通過重用連接池中先前建立的連接、跳過新連接所需的 TCP 和TLS 握手來加速請求的TTFB（第一個字節(jié)時間）。

但是，NGINX 連接池基于Work的。當(dāng)請求到達(dá)某個Work時，它只能重用該Work內(nèi)的連接。當(dāng)添加更多NGINX Work進(jìn)行擴(kuò)展時，由于連接分散在所有進(jìn)程的更多隔離池中其重用性就會變得很差，這樣就需要耗費(fèi)額外的硬件資源，并且使響應(yīng)時間變慢。

雖然在這方面通過各種方法做過優(yōu)化，但是其根源在于Nginx Work/進(jìn)程模型，在要還是該架構(gòu)就不能從根本上解決該問題 。

有些類型的功能難以添加

NGINX是一個非常好的Web 服務(wù)器、負(fù)載均衡器或網(wǎng)關(guān)。但Cloudflare 的業(yè)務(wù)需求遠(yuǎn)不止于此。圍繞NGINX 構(gòu)建我們需要的所有功能，但要盡量避免與 NGINX 上游代碼庫有太多分歧，這并不容易。

例如，當(dāng)重試/失敗請求時，業(yè)務(wù)場景最佳需求是將請求發(fā)送到具有不同請求標(biāo)頭集的不同源服務(wù)器。但這不是NGINX 允許應(yīng)用層可做的事情。為此會花費(fèi)時間和精力來解決 修改NGINX源碼來突破限制。

另外NGINX 純粹是用C語言編寫的，其設(shè)計上不是內(nèi)存安全的。使用這樣的第三方代碼庫非常容易出錯。也很容易出現(xiàn)內(nèi)存安全問題 ，如何盡可能避免這些問題是個問題。

雖然Nginx的應(yīng)用邏輯可以通過Lua語言來實(shí)現(xiàn)?？梢詫?dǎo)致的安全風(fēng)險較小，但性能也較差。此外，Lua在處理復(fù)雜的代碼和業(yè)務(wù)邏輯時缺乏有效的靜態(tài)類型檢查。務(wù)邏輯時，我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)自己缺少靜態(tài)類型。

而且 NGINX 社區(qū)也不是很活躍，開發(fā)往往是“閉門造車”。

選擇建立我們自己的

在過去的幾年里，隨著我們的客戶群和功能集的持續(xù)增長，我們持續(xù)評估了三種選擇：

繼續(xù)投資 NGINX，向其付款進(jìn)行定制，使其 100% 滿足我們的需求。我們擁有所需的專業(yè)知識，但鑒于上述架構(gòu)限制，需要付出大量努力才能以完全支持我們需求的方式重建它。

遷移到另一個第三方代理代碼庫?？隙ㄓ泻玫捻椖?，比如 envoy 和其他一些。但這條道路意味著在幾年內(nèi)可能會重復(fù)同樣的循環(huán)。

從頭開始建立一個內(nèi)部平臺和框架。這一選擇需要在工程方面進(jìn)行最大的前期投資。

在過去的幾年中，我們每個季度都會對這些選項進(jìn)行評估。沒有明顯的公式來判斷哪種選擇是最好的。在幾年的時間里，我們繼續(xù)走阻力最小的道路，繼續(xù)增強(qiáng) NGINX。然而，在某些情況下，建立自有代理的投資回報率似乎更值得。我們呼吁從頭開始建立一個代理，并開始設(shè)計我們夢想中的代理應(yīng)用程序。

Pingora 項目

設(shè)計決定

為了打造一個每秒提供數(shù)百萬次請求且快速、高效和安全的代理，我們必須首先做出一些重要的設(shè)計決定。

我們選擇 Rust 作為項目的語言，因為它可以在不影響性能的情況下以內(nèi)存安全的方式完成 C 語言可以做的事情。

盡管有一些很棒的現(xiàn)成第 3 方 HTTP 庫，例如 hyper，我們選擇構(gòu)建自己的庫是因為我們希望最大限度地提高處理 HTTP 流量的靈活性，并確保我們可以按照自己的節(jié)奏進(jìn)行創(chuàng)新。

在 Cloudflare，我們處理整個互聯(lián)網(wǎng)的流量。我們必須支持許多奇怪且不符合 RFC 的 HTTP 流量案例。這是 HTTP 社區(qū)和 Web 中的一個常見困境，在嚴(yán)格遵循 HTTP 規(guī)范，和適應(yīng)潛在遺留客戶端或服務(wù)器的廣泛生態(tài)系統(tǒng)的細(xì)微差別之間存在矛盾和沖突，需要在其中作出艱難抉擇。

HTTP 狀態(tài)碼在 RFC 9110 中定義為一個三位整數(shù)，通常預(yù)期在 100 到 599 的范圍內(nèi)。Hyper 就是這樣一種實(shí)現(xiàn)。但是，許多服務(wù)器支持使用 599 到 999 之間的狀態(tài)代碼。我們?yōu)榇斯δ軇?chuàng)建了一個問題，探討了爭論的各個方面。雖然 hyper 團(tuán)隊最終確實(shí)接受了這一更改，但他們有充分的理由拒絕這樣的要求，而這只是我們需要支持的眾多不合規(guī)行為案例之一。

為了滿足 Cloudflare 在 HTTP 生態(tài)系統(tǒng)中的地位要求，我們需要一個穩(wěn)健、寬容、可定制的 HTTP 庫，該庫可以在互聯(lián)網(wǎng)的各種風(fēng)險環(huán)境中生存，并支持各種不合規(guī)的用例。保證這一點(diǎn)的最佳方法就是實(shí)施我們自己的架構(gòu)。

下一個設(shè)計決策關(guān)于我們的工作負(fù)載調(diào)度系統(tǒng)。我們選擇多線程而不是多處理，以便輕松共享資源，尤其是連接池。我們認(rèn)為還需要實(shí)施工作竊取來避免上面提到的某些類別的性能問題。Tokio 異步運(yùn)行時結(jié)果非常適合我們的需求。

最后，我們希望我們的項目直觀且對開發(fā)人員友好。我們構(gòu)建的不是最終產(chǎn)品，而是應(yīng)該可以作為一個平臺進(jìn)行擴(kuò)展，因為在它之上構(gòu)建了更多的功能。我們決定實(shí)施一個類似于 NGINX/OpenResty 的基于“請求生命周期”事件的可編程接口。例如，“請求過濾器”階段允許開發(fā)人員在收到請求標(biāo)頭時運(yùn)行代碼來修改或拒絕請求。通過這種設(shè)計，我們可以清晰地分離我們的業(yè)務(wù)邏輯和通用代理邏輯。之前從事 NGINX 工作的開發(fā)人員可以輕松切換到 Pingora 并迅速提高工作效率。

Pingora 在生產(chǎn)中更快

讓我們快進(jìn)到現(xiàn)在。Pingora 處理幾乎所有需要與源服務(wù)器交互的 HTTP 請求（例如緩存未命中），我們在此過程中收集了很多性能數(shù)據(jù)。

首先，讓我們看看 Pingora 如何加快我們客戶的流量。Pingora 上的總體流量顯示，TTFB 中位數(shù)減少了 5 毫秒，第 95 個百分位數(shù)減少了 80 毫秒。這不是因為我們運(yùn)行代碼更快。甚至我們的舊服務(wù)也可以處理亞毫秒范圍內(nèi)的請求。

時間節(jié)省來自我們的新架構(gòu)，它可以跨所有線程共享連接。這意味著更好的連接重用率，在 TCP 和 TLS 握手上花費(fèi)的時間更少。

在所有客戶中，與舊服務(wù)相比，Pingora 每秒的新連接數(shù)只有三分之一。對于一個主要客戶，它將連接重用率從 87.1% 提高到 99.92%，這將新連接減少了 160 倍。更直觀地說，通過切換到 Pingora，我們每天為客戶和用戶節(jié)省了 434 年的握手時間。

更多功能

擁有工程師熟悉的開發(fā)人員友好界面，同時消除以前的限制，讓我們能夠更快地開發(fā)更多功能。像新協(xié)議這樣的核心功能充當(dāng)我們?yōu)榭蛻籼峁└喈a(chǎn)品的基石。

例如，我們能夠在沒有重大障礙的情況下向 Pingora 添加 HTTP/2 上游支持。這使我們能夠在不久之后向我們的客戶提供 gRPC。將相同的功能添加到 NGINX 將需要更多的工程工作，并且可能無法實(shí)現(xiàn)。

最近，我們宣布推出了 Cache Reserve，其中 Pingora 使用 R2 存儲作為緩存層。隨著我們向 Pingora 添加更多功能，我們能夠提供以前不可行的新產(chǎn)品。

更高效

在生產(chǎn)環(huán)境中，與我們的舊服務(wù)相比，Pingora 在相同流量負(fù)載的情況下，消耗的 CPU 和內(nèi)存減少了約 70% 和 67%。節(jié)省來自幾個因素。

與舊的 Lua 代碼相比，我們的 Rust 代碼運(yùn)行效率更高。最重要的是，它們的架構(gòu)也存在效率差異。例如，在 NGINX/OpenResty 中，當(dāng) Lua 代碼想要訪問 HTTP 頭時，它必須從 NGINX C 結(jié)構(gòu)中讀取它，分配一個 Lua 字符串，然后將其復(fù)制到 Lua 字符串中。之后，Lua 還對其新字符串進(jìn)行垃圾回收。在 Pingora 中，它只是一個直接的字符串訪問。

多線程模型還使得跨請求共享數(shù)據(jù)更加高效。NGINX 也有共享內(nèi)存，但由于實(shí)施限制，每次共享內(nèi)存訪問都必須使用互斥鎖，并且只能將字符串和數(shù)字放入共享內(nèi)存。在 Pingora 中，大多數(shù)共享項目可以通過原子引用計數(shù)器后面的共享引用直接訪問。

如上所述，CPU 節(jié)省的另一個重要部分是減少了新的連接。與僅通過已建立的連接發(fā)送和接收數(shù)據(jù)相比，TLS 握手成本顯然更為高昂。

更安全

在我們這樣的規(guī)模下，快速安全地發(fā)布功能十分困難。很難預(yù)測在每秒處理數(shù)百萬個請求的分布式環(huán)境中可能發(fā)生的每個邊緣情況。模糊測試和靜態(tài)分析只能緩解這么多。Rust 的內(nèi)存安全語義保護(hù)我們免受未定義行為的影響，并讓我們相信我們的服務(wù)將正確運(yùn)行。

有了這些保證，我們可以更多地關(guān)注我們的服務(wù)更改將如何與其他服務(wù)或客戶來源進(jìn)行交互。我們能夠以更高的節(jié)奏開發(fā)功能，而不用背負(fù)內(nèi)存安全和難以診斷崩潰的問題。

當(dāng)崩潰確實(shí)發(fā)生時，工程師需要花時間來診斷它是如何發(fā)生的以及是什么原因造成的。自 Pingora 創(chuàng)立以來，我們已經(jīng)處理了數(shù)百萬億個請求，至今尚未因為我們的服務(wù)代碼而崩潰。

事實(shí)上，Pingora 崩潰是如此罕見，當(dāng)我們遇到一個問題時，我們通常會發(fā)現(xiàn)不相關(guān)的問題。最近，我們的服務(wù)開始崩潰后不久，我們發(fā)現(xiàn)了一個內(nèi)核錯誤。我們還在一些機(jī)器上發(fā)現(xiàn)了硬件問題，過去排除了由我們的軟件引起的罕見內(nèi)存錯誤，即使在幾乎不可能進(jìn)行重大調(diào)試之后也是如此。

總結(jié)

總而言之，Cloudflare 在內(nèi)部已經(jīng)啟用一個一個更快、更高效、更通用的內(nèi)部代理Pingora，作為起當(dāng)前和未來產(chǎn)品的代理層架構(gòu)平臺。Cloudflare后續(xù)會在適當(dāng)?shù)睦鄯e和總結(jié)后開源Pingora。

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