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Cloudflare公司去年宣布棄用nginx，轉(zhuǎn)用自研的新一代反向代理服務(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強在哪里。
今天，我們很高興有機會在此介紹 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)模的擴大，我們已經(jīng)超越了 NGINX 的處理能力。多年來它一直運作良好，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。
許多 Cloudflare 客戶和用戶使用 Cloudflare 全球網(wǎng)絡(luò)作為 HTTP 客戶端（例如 Web 瀏覽器、應(yīng)用程序、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等）和服務(wù)器之間的代理。過去，對于瀏覽器和其他用戶代理如何連接到我們的網(wǎng)絡(luò)，我們已進行過許多討論，我們開發(fā)了很多技術(shù)并實施了新協(xié)議（參見 QUIC 和 http2 優(yōu)化）來使這段連接更高效。
今天，我們將關(guān)注這個等式的另一部分：代理我們的網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)上服務(wù)器之間的流量的服務(wù)。這個代理服務(wù)為我們的 CDN、Workers fetch、Tunnel、Stream、R2 以及許多其他功能和產(chǎn)品提供了動力。
讓我們研究為什么我們選擇取代我們的舊版服務(wù)以及 Pingora 的開發(fā)過程，這是我們專門為 Cloudflare 的客戶用例和規(guī)模而設(shè)計的新系統(tǒng)。
這些年來，我們對 NGINX 的使用遇到了限制。對于部分限制，我們進行了優(yōu)化或選擇繞過它們。但另一些限制則更難克服。
NGINX worker（進程）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)核之間的負載不平衡，從而導(dǎo)致速度變慢。
由于這種請求進程鎖定效應(yīng)，執(zhí)行 CPU 繁重或阻止 IO 任務(wù)的請求可能會減慢其他請求的速度。正如這些博客文章所表明的那樣，我們已經(jīng)花了很多時間來解決這些問題。
對于我們的用例來說，最關(guān)鍵的問題是糟糕的連接重用。我們的機器與原始服務(wù)器建立 TCP 連接，以代理 HTTP 請求。連接重用通過重用之前從連接池建立的連接，跳過新連接所需的 TCP 和 TLS 握手，來加快請求的 TTFB（首字節(jié)時間）。
但是，NGINX 連接池與單個 worker 相對應(yīng)。當請求到達某個 worker 時，它只能重用該 worker 內(nèi)的連接。當我們添加更多 NGINX worker 以進行擴展時，我們的連接重用率會變得更差，因為連接分散在所有進程的更多孤立的池中。這導(dǎo)致更慢的 TTFB 以及需要維護更多連接，進而消耗我們和客戶的資源（和金錢）。
正如在過去的博客文章中所提到的，我們?yōu)槠渲幸恍﹩栴}提供了解決方法。但如果我們能夠解決根本問題：worker/進程模型，我們將自然而然地解決所有這些問題。
NGINX 是一個非常好的 Web 服務(wù)器、負載均衡器或簡單的網(wǎng)關(guān)。但 Cloudflare 的作用遠不止于此。我們過去常常圍繞 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，當重試請求/請求失敗時，有時我們希望將請求發(fā)送到具有不同請求標頭集的不同源服務(wù)器。但 NGINX 并不允許執(zhí)行此操作。在這種情況下，我們需要花費時間和精力來解決 NGINX 的限制。
同時，我們被迫使用的編程語言并沒有幫助緩解這些困難。NGINX 純粹是用 C 語言編寫的，這在設(shè)計上不是內(nèi)存安全的。使用這樣的第 3 方代碼庫非常容易出錯。即使對于經(jīng)驗豐富的工程師來說，也很容易陷入內(nèi)存安全問題，我們希望盡可能避免這些問題。
我們用來補充 C 語言的另一種語言是 Lua。它的風險較小，但性能也較差。此外，在處理復(fù)雜的 Lua 代碼和業(yè)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”。
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。肯定有好的項目，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 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
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 團隊最終確實接受了這一更改，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)的各種風險環(huán)境中生存，并支持各種不合規(guī)的用例。保證這一點的最佳方法就是實施我們自己的架構(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。我們認為還需要實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行擴展，因為在它之上構(gòu)建了更多的功能。
我們決定實施一個類似于 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)人員在收到請求標頭時運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。
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 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。
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)或客戶來源進行交互。我們能夠以更高的節(jié)奏開發(fā)功能，而不用背負內(nèi)存安全和難以診斷崩潰的問題。
當崩潰確實發(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。
事實上，Pingora 崩潰是如此罕見，當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行重大調(diào)試之后也是如此。
總而言之，我們已經(jīng)建立了一個更快、更高效、更通用的內(nèi)部代理，作為我們當前和未來產(chǎn)品的平臺。
我們之后將介紹有關(guān)我們面臨的問題和應(yīng)用優(yōu)化的更多技術(shù)細節(jié)，以及我們從構(gòu)建 Pingora 并將其推出以支持互聯(lián)網(wǎng)的重要部分的經(jīng)驗教訓(xùn)。同時還將介紹我們的開源計劃。
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