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使用四種框架分別實現1百萬websocket常連線的伺服器

阿新 • • 發佈：2019-01-28

轉自http://www.open-open.com/lib/view/open1435905714122.html

著名的 C10K 問題提出的時候, 正是 2001 年。這篇文章可以說是高效能伺服器開發的一個標誌性文件，它討論的就是單機為1萬個連線提供服務這個問題，當時因為硬體和軟體的限制，單機1萬還是

一個非常值得挑戰的目標。但是時光荏苒，隨著硬體和軟體的飛速發展，單機1萬的目標已經變成了最簡單不過的事情。現在用任何一種主流語言都能提供單機
1萬的併發處理的能力。所以現在目標早已提高了100倍，變成C1000k，也就是一臺伺服器為100萬連線提供服務。在2010年,2011年已經看到一些實現C1000K的文章了，所以在2015年，實現C1000K應該不是一件困難的事情。


本文是我在實踐過程中的記錄，我的目標是使用spran-websocket，netty, undertow和node.js四種框架分別實現C1000K的伺服器，看看這幾個框架實現的難以程度，效能如何。開發語言為Scala和Javascript。


當然，談起效能，我們還必須談到每秒每個連線有多少個請求，也就是RPS數，還要考慮每條訊息的大小。
一般來說，我們會選取一個百分比，比如每秒20%的連線會收發訊息。我的需求是伺服器只是push,客戶端不會主動傳送訊息。 一般每一分鐘會為這一百萬群發一條訊息。
所以實現的測試工具每個client建立60000個websocket連線，一共二十個client。實際不可能使用20臺機器，我使用了兩臺AWS C3.2xlarge(8核16G)伺服器作為客戶端機。每臺機器10個客戶端。
伺服器每1分鐘群發一條訊息。訊息內容很簡單，只是伺服器的當天時間。


最近看到360用Go實現的訊息推送系統，下面是他們的資料：


目前360訊息推送系統服務於50+內部產品，萬款開發平臺App，實時長連線數億量級，日獨數十億量級，1分鐘內可以實現億量級廣播，日下發峰值百億量級，400臺物理機，3000多個例項分佈在9個獨立叢集中，每個叢集跨國內外近10個IDC。


四個伺服器的程式碼和Client測試工具程式碼可以在github上下載。 (其實不止四種框架了，現在包括Netty, Undertow, Jetty, Spray-websocket, Vert.x 和 Node.js 六種框架的實現)


測試下來可以看到每種伺服器都能輕鬆達到同時120萬的websocket活動連線，只是資源佔用和事務處理時間有差別。120萬隻是保守資料，在這麼多連線情況下伺服器依然很輕鬆，下一步我會進行C2000K的測試。


在測試之前我們需要對伺服器/客戶機的一些引數進行調優。


伺服器的引數調優
一般會修改兩個檔案，/etc/sysctl.conf和/etc/security/limits.conf， 用來配置TCP/IP引數和最大檔案描述符。


TCP/IP引數配置
修改檔案/etc/sysctl.conf,配置網路引數。


net.ipv4.tcp_wmem = 4096 87380 4161536
net.ipv4.tcp_rmem = 4096 87380 4161536
net.ipv4.tcp_mem = 786432 2097152 3145728


數值根據需求進行調整。更多的引數可以看以前整理的一篇文章: Linux TCP/IP 協議棧調優 。
執行/sbin/sysctl -p即時生效。


最大檔案描述符
Linux核心本身有檔案描述符最大值的限制，你可以根據需要更改：


系統最大開啟檔案描述符數：/proc/sys/fs/file-max
臨時性設定：echo 1000000 > /proc/sys/fs/file-max
永久設定：修改/etc/sysctl.conf檔案，增加fs.file-max = 1000000
程序最大開啟檔案描述符數
使用ulimit -n檢視當前設定。使用ulimit -n 1000000進行臨時性設定。
要想永久生效，你可以修改/etc/security/limits.conf檔案，增加下面的行：
* hard    nofile      1000000
* soft    nofile      1000000
root      hard    nofile      1000000
root      soft    nofile      1000000


還有一點要注意的就是hard limit不能大於/proc/sys/fs/nr_open，因此有時你也需要修改nr_open的值。
執行echo 2000000 > /proc/sys/fs/nr_open
檢視當前系統使用的開啟檔案描述符數，可以使用下面的命令：




[
[email protected] ~]# cat /proc/sys/fs/file-nr

1632 0 1513506
其中第一個數表示當前系統已分配使用的開啟檔案描述符數，第二個數為分配後已釋放的（目前已不再使用），第三個數等於file-max。


總結一下：


所有程序開啟的檔案描述符數不能超過/proc/sys/fs/file-max
單個程序開啟的檔案描述符數不能超過user limit中nofile的soft limit
nofile的soft limit不能超過其hard limit
nofile的hard limit不能超過/proc/sys/fs/nr_open
應用執行時調優
Java 應用記憶體調優
伺服器使用12G記憶體，吞吐率優先的垃圾回收器：
JAVA_OPTS="-Xms12G -Xmx12G -Xss1M -XX:+UseParallelGC"

V8引擎


node --nouse-idle-notification --expose-gc --max-new-space-size=1024 --max-new-space-size=2048 --max-old-space-size=8192 ./webserver.js
OutOfMemory Killer
如果伺服器本身記憶體不大，比如8G，在不到100萬連線的情況下，你的伺服器程序有可能出現"Killed"的問題。 執行dmesg可以看到


Out of memory: Kill process 10375 (java) score 59 or sacrifice child


這是Linux的OOM Killer主動殺死的。 開啟oom-killer的話，在/proc/pid下對每個程序都會多出3個與oom打分調節相關的檔案。臨時對某個程序可以忽略oom-killer可以使用下面的方式:
echo -17 > /proc/$(pidof java)/oom_adj
解決辦法有多種，可以參看文章最後的參考文章,最好是換一個記憶體更大的機器。


客戶端的引數調優
在一臺系統上，連線到一個遠端服務時的本地埠是有限的。根據TCP/IP協議，由於埠是16位整數，也就只能是0到 65535，而0到1023是預留埠，所以能分配的埠只是1024到65534，也就是64511個。也就是說，一臺機器一個IP只能建立六萬多個長連線。
要想達到更多的客戶端連線，可以用更多的機器或者網絡卡，也可以使用虛擬IP來實現,比如下面的命令增加了19個IP地址，其中一個給伺服器用，其它18個給client,這樣
可以產生18 * 60000 = 1080000個連線。


ifconfig eth0:0 192.168.77.10 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:1 192.168.77.11 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:2 192.168.77.12 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:3 192.168.77.13 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:4 192.168.77.14 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:5 192.168.77.15 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:6 192.168.77.16 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:7 192.168.77.17 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:8 192.168.77.18 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:9 192.168.77.19 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:10 192.168.77.20 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:11 192.168.77.21 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:12 192.168.77.22 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:13 192.168.77.23 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:14 192.168.77.24 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:15 192.168.77.25 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:16 192.168.77.26 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:17 192.168.77.27 netmask 255.255.255.0 up
ifconfig eth0:18 192.168.77.28 netmask 255.255.255.0 up



修改/etc/sysctl.conf檔案：


net.ipv4.ip_local_port_range = 1024 65535

執行/sbin/sysctl -p即時生效。


伺服器測試
實際測試中我使用一臺AWS C3.4xlarge (16 cores, 32G memory)作為應用伺服器，兩臺AWS C3.2xlarge (8 cores, 16G memory)伺服器作為客戶端。
這兩臺機器作為測試客戶端綽綽有餘，每臺客戶端機器建立了十個內網虛擬IP, 每個IP建立60000個websocket連線。


客戶端配置如下：
/etc/sysctl.conf配置


fs.file-max = 2000000

fs.nr_open = 2000000
net.ipv4.ip_local_port_range = 1024 65535

/etc/security/limits.conf配置


* soft    nofile      2000000
* hard    nofile      2000000
* soft nproc 2000000
* hard nproc 2000000

服務端配置如下：
/etc/sysctl.conf配置


fs.file-max = 2000000
fs.nr_open = 2000000
net.ipv4.ip_local_port_range = 1024 65535



Netty伺服器
建立120萬個連線，不傳送訊息，輕輕鬆鬆達到。記憶體還剩14G未用。


[roocolobu ~]# ss -s; free -m

Total: 1200231 (kernel 1200245)


TCP: 1200006 (estab 1200002, closed 0, orphaned 0, synrecv 0, timewait 0/0), ports 4



Transport Total     IP        IPv6
* 1200245 -         -

RAW 0 0 0
UDP 1 1 0


TCP 1200006 1200006 0

INET 1200007 1200007 0


FRAG 0 0 0





total       used       free     shared    buffers     cached
Mem: 30074 15432 14641 0 9 254

-/+ buffers/cache: 15167 14906
Swap: 815 0 815



每分鐘給所有的120萬個websocket傳送一條訊息，訊息內容為當前的伺服器的時間。這裡傳送顯示是單執行緒傳送，伺服器傳送完120萬個總用時15秒左右。


02:15:43.307 [pool-1-thread-1] INFO com.colobu.webtest.netty.WebServer$ - send msg to channels for c4453a26-bca6-42b6-b29b-43653767f9fc


02:15:57.190 [pool-1-thread-1] INFO com.colobu.webtest.netty.WebServer$ - sent 1200000 channels for c4453a26-bca6-42b6-b29b-43653767f9fc


傳送時CPU使用率並不高，網路頻寬佔用基本在10M左右。


----total-cpu-usage---- -dsk/total- -net/total- ---paging-- ---system--


usr sys idl wai hiq siq| read  writ| recv  send|  in   out | int   csw


0 0 100 0 0 0|   0     0 |  60B  540B|   0     0 | 224   440
0 0 100 0 0 0|   0     0 |  60B  870B|   0     0 | 192   382

0 0 100 0 0 0|   0     0 |  59k   74k|   0     0 |2306  2166

2 7 87 0 0 4|   0     0 |4998k 6134k|   0     0 | 169k  140k

1 7 87 0 0 5|   0     0 |4996k 6132k|   0     0 | 174k  140k


1 7 87 0 0 5|   0     0 |4972k 6102k|   0     0 | 176k  140k


1 7 87 0 0 5|   0     0 |5095k 6253k|   0     0 | 178k  142k


2 7 87 0 0 5|   0     0 |5238k 6428k|   0     0 | 179k  144k


1 7 87 0 0 5|   0    24k|4611k 5660k|   0     0 | 166k  129k
1 7 87 0 0 5|   0     0 |5083k 6238k|   0     0 | 175k  142k

1 7 87 0 0 5|   0     0 |5277k 6477k|   0     0 | 179k  146k


1 7 87 0 0 5|   0     0 |5297k 6500k|   0     0 | 179k  146k

1 7 87 0 0 5|   0     0 |5383k 6607k|   0     0 | 180k  148k

1 7 87 0 0 5|   0     0 |5504k 6756k|   0     0 | 184k  152k

1 7 87 0 0 5|   0    48k|5584k 6854k|   0     0 | 183k  152k

1 7 87 0 0 5|   0     0 |5585k 6855k|   0     0 | 183k  153k

1 7 87 0 0 5|   0     0 |5589k 6859k|   0     0 | 184k  153k

1 5 91 0 0 3|   0     0 |4073k 4999k|   0     0 | 135k  110k

0 0 100 0 0 0|   0    32k|  60B  390B|   0     0 |4822   424



客戶端(一共20個，這裡選取其中一個檢視它的指標)。每個客戶端保持6萬個連線。每個訊息從伺服器傳送到客戶端接收到總用時平均633毫秒，而且標準差很小，每個連線用時差不多。


Active WebSockets for eb810c24-8565-43ea-bc27-9a0b2c910ca4
count = 60000
WebSocket Errors for eb810c24-8565-43ea-bc27-9a0b2c910ca4
count = 0
             -- Histograms ------------------------------------------------------------------
Message latency for eb810c24-8565-43ea-bc27-9a0b2c910ca4
count = 693831
min = 627
max = 735
           mean = 633.06

                           stddev = 9.61
median = 631.00

                                75% <= 633.00

                                       95% <= 640.00
98% <= 651.00

99% <= 670.00
99.9% <= 735.00

-- Meters ----------------------------------------------------------------------
Message Rate for eb810c24-8565-43ea-bc27-9a0b2c910ca4
count = 693832

mean rate = 32991.37 events/minute
1-minute rate = 60309.26 events/minute

5-minute rate = 53523.45 events/minute
15-minute rate = 31926.26 events/minute



Spray伺服器
建立120萬個連線，不傳送訊息，輕輕鬆鬆達到。它的記憶體相對較高，記憶體還剩7G。
[
[email protected]bu ~]# ss -s; free -m
Total: 1200234 (kernel 1200251)
TCP: 1200006 (estab 1200002, closed 0, orphaned 0, synrecv 0, timewait 0/0), ports 4
Transport Total     IP        IPv6
* 1200251 -         -
RAW 0 0 0
UDP 1 1 0
TCP 1200006 1200006 0
INET 1200007 1200007 0
FRAG 0 0 0
total       used       free     shared    buffers     cached
Mem: 30074 22371 7703 0 10 259
-/+ buffers/cache: 22100 7973
Swap: 815 0 815



每分鐘給所有的120萬個websocket傳送一條訊息，訊息內容為當前的伺服器的時間。
CPU使用較高，傳送很快，頻寬可以達到46M。群發完一次大約需要8秒左右。
05/22 04:42:57.569 INFO [ool-2-worker-15] c.c.w.s.WebServer - send msg to workers 。for 8454e7d8-b8ca-4881-912b-6cdf3e6787bf
05/22 04:43:05.279 INFO [ool-2-worker-15] c.c.w.s.WebServer - sent msg to workers for 8454e7d8-b8ca-4881-912b-6cdf3e6787bf. current workers: 1200000
----total-cpu-usage---- -dsk/total- -net/total- ---paging-- ---system--
usr sys idl wai hiq siq| read  writ| recv  send|  in   out | int   csw
74 9 14 0 0 3|   0    24k|6330k   20M|   0     0 |  20k 1696
70 23 0 0 0 6|   0    64k|  11M   58M|   0     0 |  18k 2526
75 11 6 0 0 7|   0     0 |9362k   66M|   0     0 |  24k   11k
82 4 8 0 0 6|   0     0 |  11M   35M|   0     0 |  24k   10k
85 0 14 0 0 1|   0     0 |8334k   12M|   0     0 |  44k  415
84 0 15 0 0 1|   0     0 |9109k   16M|   0     0 |  36k  425
81 0 19 0 0 0|   0    24k| 919k  858k|   0     0 |  23k  629
76 0 23 0 0 0|   0     0 | 151k  185k|   0     0 |  18k 1075



客戶端(一共20個，這裡選取其中一個檢視它的指標)。每個客戶端保持6萬個連線。每個訊息從伺服器傳送到客戶端接收到總用時平均1412毫秒，而且標準差較大，每個連線用時差別較大。


Active WebSockets for 6674c9d8-24c6-4e77-9fc0-58afabe7436f
count = 60000
WebSocket Errors for 6674c9d8-24c6-4e77-9fc0-58afabe7436f
count = 0


-- Histograms ------------------------------------------------------------------
Message latency for 6674c9d8-24c6-4e77-9fc0-58afabe7436f
count = 454157
min = 716
max = 9297
mean = 1412.77
stddev = 1102.64
median = 991.00
75% <= 1449.00
95% <= 4136.00
98% <= 4951.00
99% <= 5308.00
99.9% <= 8854.00
-- Meters ----------------------------------------------------------------------


Message Rate for 6674c9d8-24c6-4e77-9fc0-58afabe7436f
count = 454244
mean rate = 18821.51 events/minute
1-minute rate = 67705.18 events/minute
5-minute rate = 49917.79 events/minute
15-minute rate = 24355.57 events/minute



Undertow
建立120萬個連線，不傳送訊息，輕輕鬆鬆達到。記憶體佔用較少，還剩餘11G記憶體。


[
[email protected] ~]# ss -s; free -m

Total: 1200234 (kernel 1200240)


TCP: 1200006 (estab 1200002, closed 0, orphaned 0, synrecv 0, timewait 0/0), ports 4

Transport Total     IP        IPv6
* 1200240 -         -
RAW 0 0 0
UDP 1 1 0
TCP 1200006 1200006 0
INET 1200007 1200007 0
FRAG 0 0 0
total       used       free     shared    buffers     cached
Mem: 30074 18497 11576 0 10 286
-/+ buffers/cache: 18200 11873
Swap: 815 0 815



每分鐘給所有的120萬個websocket傳送一條訊息，訊息內容為當前的伺服器的時間。
群發玩一次大約需要15秒。


03:19:31.154 [pool-1-thread-1] INFO c.colobu.webtest.undertow.WebServer$ - send msg to channels for d9b450da-2631-42bc-a802-44285f63a62d
03:19:46.755 [pool-1-thread-1] INFO c.colobu.webtest.undertow.WebServer$ - sent 1200000 channels for d9b450da-2631-42bc-a802-44285f63a62d



客戶端(一共20個，這裡選取其中一個檢視它的指標)。每個客戶端保持6萬個連線。每個訊息從伺服器傳送到客戶端接收到總用時平均672毫秒，而且標準差較小，每個連線用時差別不大。


Active WebSockets for b2e95e8d-b17a-4cfa-94d5-e70832034d4d
count = 60000
WebSocket Errors for b2e95e8d-b17a-4cfa-94d5-e70832034d4d
count = 0
-- Histograms ------------------------------------------------------------------
Message latency for b2e95e8d-b17a-4cfa-94d5-e70832034d4d
count = 460800
min = 667
max = 781
mean = 672.12
stddev = 5.90
median = 671.00
75% <= 672.00
95% <= 678.00
98% <= 684.00
99% <= 690.00
99.9% <= 776.00



-- Meters ----------------------------------------------------------------------
Message Rate for b2e95e8d-b17a-4cfa-94d5-e70832034d4d

count = 460813
mean rate = 27065.85 events/minute
1-minute rate = 69271.67 events/minute
5-minute rate = 48641.78 events/minute
15-minute rate = 24128.67 events/minute
Setup Rate for b2e95e8d-b17a-4cfa-94d5-e70832034d4d



node.js
node.js不是我要考慮的框架，列在這裡只是作為參考。效能也不錯。


Active WebSockets for 537c7f0d-e58b-4996-b29e-098fe2682dcf
count = 60000
WebSocket Errors for 537c7f0d-e58b-4996-b29e-098fe2682dcf
count = 0
-- Histograms ------------------------------------------------------------------


Message latency for 537c7f0d-e58b-4996-b29e-098fe2682dcf
count = 180000
min = 808
max = 847
mean = 812.10
stddev = 1.95
median = 812.00
75% <= 812.00
95% <= 813.00
98% <= 814.00
99% <= 815.00
99.9% <= 847.00
-- Meters ----------------------------------------------------------------------
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