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使用四种框架分别实现百万websocket常连接的服务器

鸟窝 发表于 2015年07月14日 08:56 | Hits: 2774
Tag: spray | netty | undertow | node.js | 高并发编程

事实上,最近我又增加了几个框架,现在包括 Netty, Undertow, Jetty, Spray, Vert.x, Grizzly 和 Node.js其中框架。
测试数据可以看下一篇文章:七种WebSocket框架的性能比较

著名的C10K问题提出的时候, 正是 2001 年。这篇文章可以说是高性能服务器开发的一个标志性文档,它讨论的就是单机为1万个连接提供服务这个问题,当时因为硬件和软件的限制,单机1万还是
一个非常值得挑战的目标。但是时光荏苒,随着硬件和软件的飞速发展,单机1万的目标已经变成了最简单不过的事情。现在用任何一种主流语言都能提供单机
1万的并发处理的能力。所以现在目标早已提高了100倍,变成C1000k,也就是一台服务器为100万连接提供服务。在2010年,2011年已经看到一些实现C1000K的文章了,所以在2015年,实现C1000K应该不是一件困难的事情。

本文是我在实践过程中的记录,我的目标是使用spran-websocket,netty, undertow和node.js四种框架分别实现C1000K的服务器,看看这几个框架实现的难以程度,性能如何。开发语言为Scala和Javascript。

当然,谈起性能,我们还必须谈到每秒每个连接有多少个请求,也就是RPS数,还要考虑每条消息的大小。
一般来说,我们会选取一个百分比,比如每秒20%的连接会收发消息。我的需求是服务器只是push,客户端不会主动发送消息。 一般每一分钟会为这一百万群发一条消息。
所以实现的测试工具每个client建立60000个websocket连接,一共二十个client。实际不可能使用20台机器,我使用了两台AWS C3.2xlarge(8核16G)服务器作为客户端机。每台机器10个客户端。
服务器每1分钟群发一条消息。消息内容很简单,只是服务器的当天时间。

最近看到360用Go实现的消息推送系统,下面是他们的数据:

目前360消息推送系统服务于50+内部产品,万款开发平台App,实时长连接数亿量级,日独数十亿量级,1分钟内可以实现亿量级广播,日下发峰值百亿量级,400台物理机,3000多个实例分布在9个独立集群中,每个集群跨国内外近10个IDC。

四个服务器的代码和Client测试工具代码可以在github上下载。 (其实不止四种框架了,现在包括Netty, Undertow, Jetty, Spray-websocket, Vert.x, Grizzly 和 Node.js 七种框架的实现)

测试下来可以看到每种服务器都能轻松达到同时120万的websocket活动连接,只是资源占用和事务处理时间有差别。120万只是保守数据,在这么多连接情况下服务器依然很轻松,下一步我会进行C2000K的测试。

在测试之前我们需要对服务器/客户机的一些参数进行调优。

服务器的参数调优

一般会修改两个文件,/etc/sysctl.conf和/etc/security/limits.conf, 用来配置TCP/IP参数和最大文件描述符。

TCP/IP参数配置

修改文件/etc/sysctl.conf,配置网络参数。

123
net.ipv4.tcp_wmem = 4096 87380 4161536net.ipv4.tcp_rmem = 4096 87380 4161536net.ipv4.tcp_mem = 786432 2097152 3145728

数值根据需求进行调整。更多的参数可以看以前整理的一篇文章:Linux TCP/IP 协议栈调优
执行/sbin/sysctl -p即时生效。

最大文件描述符

Linux内核本身有文件描述符最大值的限制,你可以根据需要更改:

  • 系统最大打开文件描述符数:/proc/sys/fs/file-max
    1. 临时性设置:echo 1000000 > /proc/sys/fs/file-max
    2. 永久设置:修改/etc/sysctl.conf文件,增加fs.file-max = 1000000
  • 进程最大打开文件描述符数
    使用ulimit -n查看当前设置。使用ulimit -n 1000000进行临时性设置。
    要想永久生效,你可以修改/etc/security/limits.conf文件,增加下面的行:
1234
*         hard    nofile      1000000*         soft    nofile      1000000root      hard    nofile      1000000root      soft    nofile      1000000

还有一点要注意的就是hard limit不能大于/proc/sys/fs/nr_open,因此有时你也需要修改nr_open的值。
执行echo 2000000 > /proc/sys/fs/nr_open

查看当前系统使用的打开文件描述符数,可以使用下面的命令:

12
[root@localhost ~]# cat /proc/sys/fs/file-nr             1632    0       1513506

其中第一个数表示当前系统已分配使用的打开文件描述符数,第二个数为分配后已释放的(目前已不再使用),第三个数等于file-max。

总结一下:

  • 所有进程打开的文件描述符数不能超过/proc/sys/fs/file-max
  • 单个进程打开的文件描述符数不能超过user limit中nofile的soft limit
  • nofile的soft limit不能超过其hard limit
  • nofile的hard limit不能超过/proc/sys/fs/nr_open

应用运行时调优

  1. Java 应用内存调优
    服务器使用12G内存,吞吐率优先的垃圾回收器:
1
JAVA_OPTS="-Xms12G -Xmx12G -Xss1M -XX:+UseParallelGC"
  1. V8引擎
1
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

如果服务器本身内存不大,比如8G,在不到100万连接的情况下,你的服务器进程有可能出现"Killed"的问题。 运行dmesg可以看到

1
Out of memory: Kill process 10375 (java) score 59 or sacrifice child

这是Linux的OOM Killer主动杀死的。 开启oom-killer的话,在/proc/pid下对每个进程都会多出3个与oom打分调节相关的文件。临时对某个进程可以忽略oom-killer可以使用下面的方式:
echo -17 > /proc/$(pidof java)/oom_adj
解决办法有多种,可以参看文章最后的参考文章,最好是换一个内存更大的机器。

客户端的参数调优

在一台系统上,连接到一个远程服务时的本地端口是有限的。根据TCP/IP协议,由于端口是16位整数,也就只能是0到 65535,而0到1023是预留端口,所以能分配的端口只是1024到65534,也就是64511个。也就是说,一台机器一个IP只能创建六万多个长连接。
要想达到更多的客户端连接,可以用更多的机器或者网卡,也可以使用虚拟IP来实现,比如下面的命令增加了19个IP地址,其中一个给服务器用,其它18个给client,这样
可以产生18 * 60000 = 1080000个连接。

12345678910111213141516171819
ifconfig eth0:0 192.168.77.10 netmask 255.255.255.0 upifconfig eth0:1 192.168.77.11 netmask 255.255.255.0 upifconfig eth0:2 192.168.77.12 netmask 255.255.255.0 upifconfig eth0:3 192.168.77.13 netmask 255.255.255.0 upifconfig eth0:4 192.168.77.14 netmask 255.255.255.0 upifconfig eth0:5 192.168.77.15 netmask 255.255.255.0 upifconfig eth0:6 192.168.77.16 netmask 255.255.255.0 upifconfig eth0:7 192.168.77.17 netmask 255.255.255.0 upifconfig eth0:8 192.168.77.18 netmask 255.255.255.0 upifconfig eth0:9 192.168.77.19 netmask 255.255.255.0 upifconfig eth0:10 192.168.77.20 netmask 255.255.255.0 upifconfig eth0:11 192.168.77.21 netmask 255.255.255.0 upifconfig eth0:12 192.168.77.22 netmask 255.255.255.0 upifconfig eth0:13 192.168.77.23 netmask 255.255.255.0 upifconfig eth0:14 192.168.77.24 netmask 255.255.255.0 upifconfig eth0:15 192.168.77.25 netmask 255.255.255.0 upifconfig eth0:16 192.168.77.26 netmask 255.255.255.0 upifconfig eth0:17 192.168.77.27 netmask 255.255.255.0 upifconfig eth0:18 192.168.77.28 netmask 255.255.255.0 up

修改/etc/sysctl.conf文件:

1
net.ipv4.ip_local_port_range = 1024 65535

执行/sbin/sysctl -p即时生效。

服务器测试

实际测试中我使用一台AWS C3.4xlarge (16 cores, 32G memory) 作为应用服务器,两台AWS C3.2xlarge (8 cores, 16G memory) 服务器作为客户端。
这两台机器作为测试客户端绰绰有余,每台客户端机器创建了十个内网虚拟IP, 每个IP创建60000个websocket连接。

客户端配置如下
/etc/sysctl.conf配置

123
fs.file-max = 2000000fs.nr_open = 2000000net.ipv4.ip_local_port_range = 1024 65535

/etc/security/limits.conf配置

12345
* soft    nofile      2000000* hard    nofile      2000000* soft nproc 2000000* hard nproc 2000000

服务端配置如下
/etc/sysctl.conf配置

123
fs.file-max = 2000000fs.nr_open = 2000000net.ipv4.ip_local_port_range = 1024 65535

/etc/security/limits.conf配置

12345
* soft    nofile      2000000* hard    nofile      2000000* soft nproc 2000000* hard nproc 2000000

Netty服务器

  • 建立120万个连接,不发送消息,轻轻松松达到。内存还剩14G未用。
12345678910111213141516
[roocolobu ~]# ss -s; free -mTotal: 1200231 (kernel 1200245)TCP:   1200006 (estab 1200002, closed 0, orphaned 0, synrecv 0, timewait 0/0), ports 4Transport 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     cachedMem:         30074      15432      14641          0          9        254-/+ buffers/cache:      15167      14906Swap:          815          0        815
  • 每分钟给所有的120万个websocket发送一条消息,消息内容为当前的服务器的时间。这里发送显示是单线程发送,服务器发送完120万个总用时15秒左右。
12
02:15:43.307 [pool-1-thread-1] INFO  com.colobu.webtest.netty.WebServer$ - send msg to channels for c4453a26-bca6-42b6-b29b-43653767f9fc02:15:57.190 [pool-1-thread-1] INFO  com.colobu.webtest.netty.WebServer$ - sent 1200000 channels for c4453a26-bca6-42b6-b29b-43653767f9fc

发送时CPU使用率并不高,网络带宽占用基本在10M左右。

123456789101112131415161718192021
----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

客户端(一共20个,这里选取其中一个查看它的指标)。每个客户端保持6万个连接。每个消息从服务器发送到客户端接收到总用时平均633毫秒,而且标准差很小,每个连接用时差不多。

1234567891011121314151617181920212223242526
Active WebSockets for eb810c24-8565-43ea-bc27-9a0b2c910ca4             count = 60000WebSocket 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

平均每个client的RPS = 1000, 总的RPS大约为 20000 requests /seconds.
latency平均值为633 ms,最长735 ms,最短627ms。

Spray服务器

  • 建立120万个连接,不发送消息,轻轻松松达到。它的内存相对较高,内存还剩7G。
12345678910111213141516
[root@colobu ~]# ss -s; free -mTotal: 1200234 (kernel 1200251)TCP:   1200006 (estab 1200002, closed 0, orphaned 0, synrecv 0, timewait 0/0), ports 4Transport 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     cachedMem:         30074      22371       7703          0         10        259-/+ buffers/cache:      22100       7973Swap:          815          0        815
  • 每分钟给所有的120万个websocket发送一条消息,消息内容为当前的服务器的时间。
    CPU使用较高,发送很快,带宽可以达到46M。群发完一次大约需要8秒左右。
12
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-6cdf3e6787bf05/22 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
12345678910
----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

客户端(一共20个,这里选取其中一个查看它的指标)。每个客户端保持6万个连接。每个消息从服务器发送到客户端接收到总用时平均1412毫秒,而且标准差较大,每个连接用时差别较大。

1234567891011121314151617181920212223242526
Active WebSockets for 6674c9d8-24c6-4e77-9fc0-58afabe7436f             count = 60000WebSocket 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120万个连接,不发送消息,轻轻松松达到。内存占用较少,还剩余11G内存。
12345678910111213141516
[root@colobu ~]# ss -s; free -mTotal: 1200234 (kernel 1200240)TCP:   1200006 (estab 1200002, closed 0, orphaned 0, synrecv 0, timewait 0/0), ports 4Transport 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     cachedMem:         30074      18497      11576          0         10        286-/+ buffers/cache:      18200      11873Swap:          815          0        815
  • 每分钟给所有的120万个websocket发送一条消息,消息内容为当前的服务器的时间。
    群发玩一次大约需要15秒。
12
03:19:31.154 [pool-1-thread-1] INFO  c.colobu.webtest.undertow.WebServer$ - send msg to channels for d9b450da-2631-42bc-a802-44285f63a62d03:19:46.755 [pool-1-thread-1] INFO  c.colobu.webtest.undertow.WebServer$ - sent 1200000 channels for d9b450da-2631-42bc-a802-44285f63a62d

客户端(一共20个,这里选取其中一个查看它的指标)。每个客户端保持6万个连接。每个消息从服务器发送到客户端接收到总用时平均672毫秒,而且标准差较小,每个连接用时差别不大。

123456789101112131415161718192021222324252627
Active WebSockets for b2e95e8d-b17a-4cfa-94d5-e70832034d4d             count = 60000WebSocket 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/minuteSetup Rate for b2e95e8d-b17a-4cfa-94d5-e70832034d4d

node.js

node.js不是我要考虑的框架,列在这里只是作为参考。性能也不错。

1234567891011121314151617181920212223242526
Active WebSockets for 537c7f0d-e58b-4996-b29e-098fe2682dcf             count = 60000WebSocket 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 ----------------------------------------------------------------------Message Rate for 537c7f0d-e58b-4996-b29e-098fe2682dcf             count = 180000         mean rate = 7191.98 events/minute     1-minute rate = 10372.33 events/minute     5-minute rate = 16425.78 events/minute    15-minute rate = 9080.53 events/minute

参考文档

  1. HTTP长连接200万尝试及调优
  2. 100万并发连接服务器笔记之1M并发连接目标达成
  3. 知乎:如何实现单服务器300万个长连接的?
  4. 构建C1000K的服务器
  5. 千万级并发实现的秘密
  6. C1000k 新思路:用户态 TCP/IP 协议栈
  7. https://github.com/xiaojiaqi/C1000kPracticeGuide
  8. 600k concurrent websocket connections on AWS using Node.js
  9. https://plumbr.eu/blog/memory-leaks/out-of-memory-kill-process-or-sacrifice-child?utm_source=feedly&utm_reader=feedly&utm_medium=rss&utm_campaign=rss
  10. http://it.deepinmind.com/java/2014/06/12/out-of-memory-kill-process-or-sacrifice-child.html
  11. https://access.redhat.com/documentation/en-US/Red_Hat_Enterprise_Linux/6/html/Performance_Tuning_Guide/s-memory-captun.html
  12. http://www.nateware.com/linux-network-tuning-for-2013.html#.VV0s6kawqgQ
  13. http://warmjade.blogspot.jp/2014_03_22_archive.html
  14. http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5NzAwNDI4Mg==&mid=209282398&idx=1&sn=9ffef32b3ab93d1e239c9dc753a3a9bb

原文链接: http://colobu.com/2015/05/22/implement-C1000K-servers-by-spray-netty-undertow-and-node-js/

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