Nginx突破高并发的性能优化 - 运维笔记

 

在日常的运维工作中，经常会用到nginx服务，也时常会碰到nginx因高并发导致的性能瓶颈问题。今天这里简单梳理下nginx性能优化的配置（仅仅依据本人的实战经验而述，如有不妥，敬请指出~）

一、这里的优化主要是指对nginx的配置优化，一般来说nginx配置文件中对优化比较有作用的主要有以下几项：
1）nginx进程数，建议按照cpu数目来指定，一般跟cpu核数相同或为它的倍数。
worker_processes 8;
2）为每个进程分配cpu，上例中将8个进程分配到8个cpu，当然可以写多个，或者将一个进程分配到多个cpu。
worker_cpu_affinity 00000001 00000010 00000100 00001000 00010000 00100000 01000000 10000000;
3）下面这个指令是指当一个nginx进程打开的最多文件描述符数目，理论值应该是系统的最多打开文件数（ulimit -n）与nginx进程数相除，但是nginx分配请求并不是那么均匀，所以最好与ulimit -n的值保持一致。
worker_rlimit_nofile 65535;
4）使用epoll的I/O模型，用这个模型来高效处理异步事件
use epoll;
5）每个进程允许的最多连接数，理论上每台nginx服务器的最大连接数为worker_processes*worker_connections。
worker_connections 65535;
6）http连接超时时间，默认是60s，功能是使客户端到服务器端的连接在设定的时间内持续有效，当出现对服务器的后继请求时，该功能避免了建立或者重新建立连接。切记这个参数也不能设置过大！否则会导致许多无效的http连接占据着nginx的连接数，终nginx崩溃！
keepalive_timeout 60;
7）客户端请求头部的缓冲区大小，这个可以根据你的系统分页大小来设置，一般一个请求的头部大小不会超过1k，不过由于一般系统分页都要大于1k，所以这里设置为分页大小。分页大小可以用命令getconf PAGESIZE取得。
client_header_buffer_size 4k;
8）下面这个参数将为打开文件指定缓存，默认是没有启用的，max指定缓存数量，建议和打开文件数一致，inactive是指经过多长时间文件没被请求后删除缓存。
open_file_cache max=102400 inactive=20s;
9）下面这个是指多长时间检查一次缓存的有效信息。
open_file_cache_valid 30s;
10）open_file_cache指令中的inactive参数时间内文件的最少使用次数，如果超过这个数字，文件描述符一直是在缓存中打开的，如上例，如果有一个文件在inactive时间内一次没被使用，它将被移除。
open_file_cache_min_uses 1;

11）隐藏响应头中的有关操作系统和web server（Nginx）版本号的信息，这样对于安全性是有好处的。
server_tokens off;
12）可以让sendfile()发挥作用。sendfile()可以在磁盘和TCP socket之间互相拷贝数据(或任意两个文件描述符)。Pre-sendfile是传送数据之前在用户空间申请数据缓冲区。之后用read()将数据从文件拷贝到这个缓冲区，write()将缓冲区数据写入网络。sendfile()是立即将数据从磁盘读到OS缓存。因为这种拷贝是在内核完成的，sendfile()要比组合read()和write()以及打开关闭丢弃缓冲更加有效(更多有关于sendfile)。
sendfile on;
13）告诉nginx在一个数据包里发送所有头文件，而不一个接一个的发送。就是说数据包不会马上传送出去，等到数据包最大时，一次性的传输出去，这样有助于解决网络堵塞。
tcp_nopush on;
14）告诉nginx不要缓存数据，而是一段一段的发送--当需要及时发送数据时，就应该给应用设置这个属性，这样发送一小块数据信息时就不能立即得到返回值。
tcp_nodelay on;
比如：
http {
   server_tokens off;
   sendfile on;
   tcp_nopush on;
   tcp_nodelay on;
......
}
15）客户端请求头部的缓冲区大小，这个可以根据系统分页大小来设置，一般一个请求头的大小不会超过1k，不过由于一般系统分页都要大于1k，所以这里设置为分页大小。
client_header_buffer_size 4k;
客户端请求头部的缓冲区大小，这个可以根据系统分页大小来设置，一般一个请求头的大小不会超过1k，不过由于一般系统分页都要大于1k，所以这里设置为分页大小。
分页大小可以用命令getconf PAGESIZE取得。
[root@test-huanqiu ~]# getconf PAGESIZE
4096
但也有client_header_buffer_size超过4k的情况，但是client_header_buffer_size该值必须设置为“系统分页大小”的整倍数。
16）为打开文件指定缓存，默认是没有启用的，max 指定缓存数量，建议和打开文件数一致，inactive 是指经过多长时间文件没被请求后删除缓存。
open_file_cache max=65535 inactive=60s;
17）open_file_cache 指令中的inactive 参数时间内文件的最少使用次数，如果超过这个数字，文件描述符一直是在缓存中打开的，如上例，如果有一个文件在inactive 时间内一次没被使用，它将被移除。
open_file_cache_min_uses 1;
18）指定多长时间检查一次缓存的有效信息。
open_file_cache_valid 80s;

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如下一个运维日常用的nginx标准配置文件

[root@dev-huanqiu ~]# cat /usr/local/nginx/conf/nginx.conf
user   www www;
worker_processes 8;
worker_cpu_affinity 00000001 00000010 00000100 00001000 00010000 00100000 01000000;
error_log   /www/log/nginx_error.log   crit;
pid         /usr/local/nginx/nginx.pid;
worker_rlimit_nofile 65535;events
{use epoll;worker_connections 65535;
}http
{include       mime.types;default_type   application/octet-stream;charset   utf-8;server_names_hash_bucket_size 128;client_header_buffer_size 2k;large_client_header_buffers 4 4k;client_max_body_size 8m;sendfile on;tcp_nopush     on;keepalive_timeout 60;fastcgi_cache_path /usr/local/nginx/fastcgi_cache levels=1:2keys_zone=TEST:10minactive=5m;fastcgi_connect_timeout 300;fastcgi_send_timeout 300;fastcgi_read_timeout 300;fastcgi_buffer_size 16k;fastcgi_buffers 16 16k;fastcgi_busy_buffers_size 16k;fastcgi_temp_file_write_size 16k;fastcgi_cache TEST;fastcgi_cache_valid 200 302 1h;fastcgi_cache_valid 301 1d;fastcgi_cache_valid any 1m;fastcgi_cache_min_uses 1;fastcgi_cache_use_stale error timeout invalid_header http_500;  open_file_cache max=204800 inactive=20s;open_file_cache_min_uses 1;open_file_cache_valid 30s;  tcp_nodelay on;gzip on;gzip_min_length   1k;gzip_buffers     4 16k;gzip_http_version 1.0;gzip_comp_level 2;gzip_types       text/plain application/x-javascript text/css application/xml;gzip_vary on;server{listen       8080;server_name   huan.wangshibo.com;index index.php index.htm;root   /www/html/;location /status{stub_status on;}location ~ .*\.(php|php5)?${fastcgi_pass 127.0.0.1:9000;fastcgi_index index.php;include fcgi.conf;}location ~ .*\.(gif|jpg|jpeg|png|bmp|swf|js|css)${expires       30d;}log_format   access   '$remote_addr - $remote_user [$time_local] "$request" ''$status $body_bytes_sent "$http_referer" ''"$http_user_agent" $http_x_forwarded_for';access_log   /www/log/access.log   access;}
}

二、关于FastCGI的几个指令                                                                                                       

1）这个指令为FastCGI缓存指定一个路径，目录结构等级，关键字区域存储时间和非活动删除时间。
fastcgi_cache_path /usr/local/nginx/fastcgi_cache levels=1:2 keys_zone=TEST:10m inactive=5m;
2）指定连接到后端FastCGI的超时时间。
fastcgi_connect_timeout 300;
3）向FastCGI传送请求的超时时间，这个值是指已经完成两次握手后向FastCGI传送请求的超时时间。
fastcgi_send_timeout 300;
4）接收FastCGI应答的超时时间，这个值是指已经完成两次握手后接收FastCGI应答的超时时间。
fastcgi_read_timeout 300;
5）指定读取FastCGI应答第一部分 需要用多大的缓冲区，这里可以设置为fastcgi_buffers指令指定的缓冲区大小，上面的指令指定它将使用1个 16k的缓冲区去读取应答的第一部分，即应答头，其实这个应答头一般情况下都很小（不会超过1k），但是你如果在fastcgi_buffers指令中指 定了缓冲区的大小，那么它也会分配一个fastcgi_buffers指定的缓冲区大小去缓存。
fastcgi_buffer_size 16k;
6）指定本地需要用多少和多大的缓冲区来 缓冲FastCGI的应答，如上所示，如果一个php脚本所产生的页面大小为256k，则会为其分配16个16k的缓冲区来缓存，如果大于256k，增大 于256k的部分会缓存到fastcgi_temp指定的路径中， 当然这对服务器负载来说是不明智的方案，因为内存中处理数据速度要快于硬盘，通常这个值 的设置应该选择一个你的站点中的php脚本所产生的页面大小的中间值，比如你的站点大部分脚本所产生的页面大小为 256k就可以把这个值设置为16 16k，或者4 64k 或者64 4k，但很显然，后两种并不是好的设置方法，因为如果产生的页面只有32k，如果用4 64k它会分配1个64k的缓冲区去缓存，而如果使用64 4k它会分配8个4k的缓冲区去缓存，而如果使用16 16k则它会分配2个16k去缓存页面，这样看起来似乎更加合理。
fastcgi_buffers 16 16k;
7）这个指令我也不知道是做什么用，只知道默认值是fastcgi_buffers的两倍。
fastcgi_busy_buffers_size 32k;
8）在写入fastcgi_temp_path时将用多大的数据块，默认值是fastcgi_buffers的两倍。
fastcgi_temp_file_write_size 32k;
9）开启FastCGI缓存并且为其制定一个名称。个人感觉开启缓存非常有用，可以有效降低CPU负载，并且防止502错误。但是这个缓存会引起很多问题，因为它缓存的是动态页面。具体使用还需根据自己的需求。
fastcgi_cache TEST
10）为指定的应答代码指定缓存时间，如上例中将200，302应答缓存一小时，301应答缓存1天，其他为1分钟。
fastcgi_cache_valid 200 302 1h;
fastcgi_cache_valid 301 1d;
fastcgi_cache_valid any 1m;
11）缓存在fastcgi_cache_path指令inactive参数值时间内的最少使用次数，如上例，如果在5分钟内某文件1次也没有被使用，那么这个文件将被移除。
fastcgi_cache_min_uses 1;
12）不知道这个参数的作用，猜想应该是让nginx知道哪些类型的缓存是没用的。
fastcgi_cache_use_stale error timeout invalid_header http_500;

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另外，FastCGI自身也有一些配置需要进行优化，如果你使用php-fpm来管理FastCGI，可以修改配置文件中的以下值：
1）同时处理的并发请求数，即它将开启最多60个子线程来处理并发连接。
<value name="max_children">60</value>
2）最多打开文件数。
<value name="rlimit_files">65535</value>
3）每个进程在重置之前能够执行的最多请求数。
<value name="max_requests">65535</value>

三、关于内核参数的优化，在/etc/sysctl.conf文件内                                                                                     
1）timewait的数量，默认是180000。(Deven:因此如果想把timewait降下了就要把tcp_max_tw_buckets值减小)
net.ipv4.tcp_max_tw_buckets = 6000
2）允许系统打开的端口范围。
net.ipv4.ip_local_port_range = 1024 65000
3）启用TIME-WAIT状态sockets快速回收功能;用于快速减少在TIME-WAIT状态TCP连接数。1表示启用;0表示关闭。但是要特别留意的是：这个选项一般不推荐启用，因为在NAT(Network Address Translation)网络下，会导致大量的TCP连接建立错误，从而引起网站访问故障。
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 0
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实际上，net.ipv4.tcp_tw_recycle功能的开启，一般需要net.ipv4.tcp_timestamps（一般系统默认是开启这个功能的）这个开关开启后才有效果；
当tcp_tw_recycle 开启时（tcp_timestamps 同时开启，快速回收 socket 的效果达到），对于位于NAT设备后面的 Client来说，是一场灾难！！会导致到NAT设备后面的Client连接Server不稳定（有的 Client 能连接 server，有的 Client 不能连接 server）。

tcp_tw_recycle这个功能，其实是为内部网络（网络环境自己可控 ” -不存在NAT 的情况）设计的，对于公网环境下，不宜使用。通常来说，回收TIME_WAIT状态的socket是因为“无法主动连接远端”，因为无可用的端口，而不应该是要回收内存（没有必要）。也就是说，需求是Client的需求，Server会有“端口不够用”的问题吗？除非是前端机，需要大量的连接后端服务，也就是充当着Client的角色。

正确的解决这个总是办法应该是：
net.ipv4.ip_local_port_range = 9000 6553            #默认值范围较小
net.ipv4.tcp_max_tw_buckets = 10000                 #默认值较小，还可适当调小
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1 
net.ipv4.tcp_fin_timeout = 10 
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4）开启重用功能，允许将TIME-WAIT状态的sockets重新用于新的TCP连接。这个功能启用是安全的，一般不要去改动！
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1
5）开启SYN Cookies，当出现SYN等待队列溢出时，启用cookies来处理。
net.ipv4.tcp_syncookies = 1
6）web应用中listen函数的backlog默认会给我们内核参数的net.core.somaxconn限制到128，而nginx定义的NGX_LISTEN_BACKLOG默认为511，所以有必要调整这个值。
net.core.somaxconn = 262144
7）每个网络接口接收数据包的速率比内核处理这些包的速率快时，允许送到队列的数据包的最大数目。
net.core.netdev_max_backlog = 262144
8）系统中最多有多少个TCP套接字不被关联到任何一个用户文件句柄上。如果超过这个数字，孤儿连接将即刻被复位并打印出警告信息。这个限制仅仅是为了防止简单的DoS攻击，不能过分依靠它或者人为地减小这个值，更应该增加这个值(如果增加了内存之后)。
net.ipv4.tcp_max_orphans = 262144
9）记录的那些尚未收到客户端确认信息的连接请求的最大值。对于有128M内存的系统而言，缺省值是1024，小内存的系统则是128。
net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 262144
10）时间戳可以避免序列号的卷绕。一个1Gbps的链路肯定会遇到以前用过的序列号。时间戳能够让内核接受这种“异常”的数据包。
net.ipv4.tcp_timestamps = 1
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有不少服务器为了提高性能，开启net.ipv4.tcp_tw_recycle选项，在NAT网络环境下，容易导致网站访问出现了一些connect失败的问题。
个人建议：
关闭net.ipv4.tcp_tw_recycle选项，而不是net.ipv4.tcp_timestamps；
因为在net.ipv4.tcp_timestamps关闭的条件下，开启net.ipv4.tcp_tw_recycle是不起作用的；而net.ipv4.tcp_timestamps可以独立开启并起作用。
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11）为了打开对端的连接，内核需要发送一个SYN并附带一个回应前面一个SYN的ACK。也就是所谓三次握手中的第二次握手。这个设置决定了内核放弃连接之前发送SYN+ACK包的数量。
net.ipv4.tcp_synack_retries = 1
12）在内核放弃建立连接之前发送SYN包的数量。
net.ipv4.tcp_syn_retries = 1
13）如果套接字由本端要求关闭，这个参数 决定了它保持在FIN-WAIT-2状态的时间。对端可以出错并永远不关闭连接，甚至意外当机。缺省值是60秒。2.2 内核的通常值是180秒，你可以按这个设置，但要记住的是，即使你的机器是一个轻载的WEB服务器，也有因为大量的死套接字而内存溢出的风险，FIN- WAIT-2的危险性比FIN-WAIT-1要小，因为它最多只能吃掉1.5K内存，但是它们的生存期长些。
net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30
14）当keepalive起用的时候，TCP发送keepalive消息的频度。缺省是2小时。
net.ipv4.tcp_keepalive_time = 30

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以下是一个常用的内核参数的标准配置
[root@dev-huanqiu ~]# cat /etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_forward = 0
net.ipv4.conf.default.rp_filter = 1
net.ipv4.conf.default.accept_source_route = 0
kernel.sysrq = 0
kernel.core_uses_pid = 1
net.ipv4.tcp_syncookies = 1            //这四行标红内容，一般是发现大量TIME_WAIT时的解决办法
kernel.msgmnb = 65536
kernel.msgmax = 65536
kernel.shmmax = 68719476736
kernel.shmall = 4294967296
net.ipv4.tcp_max_tw_buckets = 6000
net.ipv4.tcp_sack = 1
net.ipv4.tcp_window_scaling = 1
net.ipv4.tcp_rmem = 4096 87380 4194304
net.ipv4.tcp_wmem = 4096 16384 4194304
net.core.wmem_default = 8388608
net.core.rmem_default = 8388608
net.core.rmem_max = 16777216
net.core.wmem_max = 16777216
net.core.netdev_max_backlog = 262144
net.core.somaxconn = 262144
net.ipv4.tcp_max_orphans = 3276800
net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 262144
net.ipv4.tcp_timestamps = 1            //在net.ipv4.tcp_tw_recycle设置为1的时候，这个选择最好加上
net.ipv4.tcp_synack_retries = 1
net.ipv4.tcp_syn_retries = 1
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1           //开启此功能可以减少TIME-WAIT状态，但是NAT网络模式下打开有可能会导致tcp连接错误，慎重。
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1
net.ipv4.tcp_mem = 94500000 915000000 927000000
net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30
net.ipv4.tcp_keepalive_time = 30
net.ipv4.ip_local_port_range = 1024 65000
net.ipv4.ip_conntrack_max = 6553500

=======================         分享一次小事故     ==========================
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1 这个功能打开后，确实能减少TIME-WAIT状态，习惯上我都会将这个参数打开。
但是也因为这个参数踩过一次坑：
公司的一个发布新闻的CMS后台系统，采用haproxy+keepalived代理架构，后端的real server服务器外网ip全部拿掉。
现象：在某一天早上发文高峰期，CMS后台出现访问故障，重启php服务后会立刻见效，但持续一段时间后，访问就又出现故障。
排查nginx和php日志也没有发现什么，后来google了一下，发现就是net.ipv4.tcp_tw_recycle这个参数捣的鬼！
这种网络架构对于后端的realserver来说是NAT模式，打开这个参数后，会导致大量的TCP连接建立错误，从而引起网站访问故障。
最后将net.ipv4.tcp_tw_recycle设置为0，关闭这个功能后，后台访问即刻恢复正常
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《《Nginx安全配置小提示》》
下面是一个常见安全陷阱和解决方案的列表，它可以辅助来确保你的Nginx部署是安全的。

1）禁用autoindex模块。这个可能在你使用的Nginx版本中已经更改了，如果没有的话只需在配置文件的location块中增加autoindex off;声明即可。2）禁用服务器上的ssi (服务器端引用)。这个可以通过在location块中添加ssi off; 。3）关闭服务器标记。如果开启的话（默认情况下）所有的错误页面都会显示服务器的版本和信息。将server_tokens off;声明添加到Nginx配置文件来解决这个问题。4）在配置文件中设置自定义缓存以限制缓冲区溢出攻击的可能性。
client_body_buffer_size  1K;
client_header_buffer_size 1k;
client_max_body_size 1k;
large_client_header_buffers 2 1k;5）将timeout设低来防止DOS攻击。所有这些声明都可以放到主配置文件中。
client_body_timeout   10;
client_header_timeout 10;
keepalive_timeout     65;
send_timeout          10;6）限制用户连接数来预防DOS攻击。
limit_zone slimits $binary_remote_addr 5m;
limit_conn slimits 5;7）试着避免使用HTTP认证。HTTP认证默认使用crypt，它的哈希并不安全。如果你要用的话就用MD5（这也不是个好选择但负载方面比crypt好） 。