nginx反向代理时保持长连接

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• nginx反向代理，如何通过配置支持从client到server的长连接？
• 如何避免nginx线程池内线程数反复震荡导致性能不稳定的问题？

深入了解nginx，get到nginx的一些性能优化方向。除了了解如何保持长连接，也通过本案例学习到开源中间件的一些常用定位思路和优化方法。

场景描述

HTTP1.1之后，HTTP协议支持持久连接，也就是长连接，优点在于在一个TCP连接上可以传送多个HTTP请求和响应，减少了建立和关闭连接的消耗和延迟。如果我们使用了nginx去作为反向代理或者负载均衡，从客户端过来的长连接请求就会被转换成短连接发送给服务器端。为了支持长连接，我们需要在nginx服务器上做一些配置。

要求

到长连接，我们必须做到以下两点：

i.从client到nginx是长连接

ii.从nginx到server是长连接

对于客户端而言，nginx其实扮演着server的角色，反之，之于server，nginx就是一个client。

保持和Client的长连接

我们要想做到Client与Nginx之间保持长连接，需要：

i.Client发送过来的请求携带“keep-alive”header。

ii.Nginx设置支持keep-alive。

HTTP配置

默认情况下，nginx已经开启了对client连接的keepalive 支持。对于特殊场景，可以调整相关参数。

http {
     keepalive_timeout 120s;          #客户端链接超时时间。为0的时候禁用长连接。
     keepalive_requests 10000;        #在一个长连接上可以服务的最大请求数目。
                                      #当达到最大请求数目且所有已有请求结束后，连接被关闭。
                                      #默认值为100
}

大多数情况下，keepalive_requests = 100也够用，但是对于 QPS 较高的场景，非常有必要加大这个参数，以避免出现大量连接被生成再抛弃的情况，减少TIME_WAIT。QPS=10000 时，客户端每秒发送 10000 个请求 (通常建立有多个长连接)，每个连接只能最多跑 100 次请求，意味着平均每秒钟就会有 100 个长连接因此被 nginx 关闭。同样意味着为了保持 QPS，客户端不得不每秒中重新新建 100 个连接。因此，如果用netstat命令看客户端机器，就会发现有大量的TIME_WAIT的socket连接 (即使此时keepalive已经在 Client 和 NGINX 之间生效)。

保持和Server的长连接

想让Nginx和Server之间维持长连接，最朴素的设置如下：

http {
     upstream backend {
     server  192.168.0.1：8080 weight=1 max_fails=2 fail_timeout=30s;
     server  192.168.0.2：8080 weight=1 max_fails=2 fail_timeout=30s;
     keepalive 300;     // 这个很重要！
     }

     server {
          listen 8080 default_server;
          server_name "";
          
          location / {
                proxy_pass http://backend;
                proxy_http_version 1.1;// 设置http版本为1.1
                proxy_set_header Connection "";         //设置
                Connection为长连接（默认为no）}
           }
     }
}

upstream配置

upstream中，有一个参数特别的重要，就是keepalive。这个参数和之前http里面的 keepalive_requests 不一样。这个参数的含义是，连接池里面最大的空闲连接数量。

不理解？没关系，我们来举个例子：

场景：

有一个HTTP服务，作为upstream服务器接收请求，响应时间为100毫秒。要求性能达到10000 QPS，我们需要在nginx与upstream服务器之间建立大概1000条HTTP请求。（1000/0.1s=10000）

最优情况：

假设请求非常的均匀平稳，每一个请求都是100ms，请求结束会被马上放入连接池并置为idle（空闲）状态。

我们以0.1s为单位：

1. 我们现在keepalive的值设置为10，每0.1s钟有1000个连接。

2. 第0.1s的时候，我们一共有1000个请求收到并释放。

3. 第0.2s的时候，我们又来了1000个请求，在0.2s结束的时候释放。

请求和应答都比较均匀，0.1s释放的连接正好够用，不需要建立新连接，且连接池中没有idle状态的连接。

第一种情况：

应答非常平稳，但是请求不平稳的时候

1.第0.3s的时候，我们只有500个请求收到，有500个请求因为网络延迟等原因没有进来。这个时候，Nginx检测到连接池中有500个idle状态的连接，就直接关闭了（500-10）个连接。

2.第0.4s的时候，我们收到了1500个请求，但是现在池里面只有（500+10）个连接，所以Nginx不得不重新建立了（1500-510）个连接。如果在第4步的时候，没有关闭那490个连接的话，只需要重新建立500个连接。

第二种情况：

请求非常平稳，但是应答不平稳的时候

1. 第0.3s的时候，我们一共有1500个请求收到。但是池里面只有1000个连接，这个时候，Nginx又创建了500个连接，一共1500个连接。

2.第0.3s的时候，第0.3s的连接全部被释放，我们收到了500个请求。 Nginx检测到池里面有1000个idle状态的连接，所以不得不释放了（1000-10）个连接。造成连接数量反复震荡的一个推手，就是这个keepalive 这个最大空闲连接数。上面的两种情况说的都是 keepalive设置的不合理导致Nginx有多次释放与创建连接的过程，造成资源浪费。

keepalive 这个参数设置一定要小心，尤其是对于 QPS 要求比较高或者网络环境不稳定的场景，一般根据 QPS 值和 平均响应时间能大致推算出需要的长连接数量。然后将keepalive设置为长连接数量的10%到30%。

location配置

http {
     server {
          location / {
                 proxy_pass http://backend;
                 proxy_http_version 1.1;// 设置http版本为1.1
                 proxy_set_header Connection "";         //设置
                 Connection为长连接（默认为no）
           }
      }
}

HTTP 协议中对长连接的支持是从 1.1 版本之后才有的，因此最好通过proxy_http_version 指令设置为 1.1。HTTP1.0不支持keepalive特性，当没有使用HTTP1.1的时候，后端服务会返回101错误，然后断开连接。而“Connection” header 可以选择被清理，这样即便是 Client 和 Nginx 之间是短连接，Nginx 和 upstream 之间也是可以开启长连接的。

另外一种高级方式

http {
     map $http_upgrade $connection_upgrade {
         default upgrade;
         '' close;
     }
 
     upstream backend {
         server  192.168.0.1：8080 weight=1 max_fails=2 fail_timeout=30s;
         server  192.168.0.2：8080 weight=1 max_fails=2 fail_timeout=30s;
         keepalive 300;
    }
 
    server {
         listen 8080 default_server;
         server_name "";
         location / {
               proxy_pass http://backend;
 
               proxy_connect_timeout 15;                  #与upstream server的连接超时时间（没有单位，最大不可以超过75s）
               proxy_read_timeout 60s;                       #nginx会等待多长时间来获得请求的响应
               proxy_send_timeout 12s;                       #发送请求给upstream服务器的超时时间
 
               proxy_http_version  1.1;          
               proxy_set_header   Upgrade    $http_upgrade;
               proxy_set_header    Connection     
               $connection_upgrade;
        }
    }
}

http里面的map的作用是：让转发到代理服务器的 "Connection" 头字段的值，取决于客户端请求头的"Upgrade" 字段值。

如果$http_upgrade没有匹配，那 "Connection" 头字段的值会是upgrade。

如果$http_upgrade为空字符串的话，那 "Connection" 头字段的值会是 close。

【补充】

NGINX支持WebSocket。对于NGINX将升级请求从客户端发送到后台服务器，必须明确设置Upgrade和Connection标题。这也算是上面情况所非常常用的场景。HTTP的Upgrade协议头机制用于将连接从HTTP连接升级到WebSocket连接，Upgrade机制使用了Upgrade协议头和Connection协议头。为了让Nginx可以将来自客户端的Upgrade请求发送到后端服务器，Upgrade和Connection的头信息必须被显式的设置。

【注意】

在nginx的配置文件中，如果当前模块中没有proxy_set_header的设置，则会从上级别继承配置。继承顺序为：http, server, location。如果在下一层使用proxy_set_header修改了header的值，则所有的header值都可能会发生变化，之前继承的所有配置将会被丢弃。所以，尽量在同一个地方进行proxy_set_header，否则可能会有别的问题。

【参考】

Nginx中文官方文档： http://www.nginx.cn/doc/

测试参考文档： https://www.lijiaocn.com/问题/2019/05/08/nginx-ingress-keep-alive-not-work.html

keep-alive参考文档：https://wglee.org/2018/12/02/nginx-keepalive/