缓存反向代理-Varnish

简介

Varnish是一款高性能、开源的缓存反向代理服务器。它从客户端接受请求，并尝试从缓存中响应请求，如果无法从缓存中提供响应，Varnish 向后端服务器发起请求，获取响应，将响应存储在缓存中，然后把响应发送给客户端。如果Varnish能够从Cache中响应一个请求，所消耗的时间是微秒级别的，这个响应速度比直接从HTTP服务器响应请求的速度要快两个数量级，缓存命中率越高，网站的访问速度就越快。

主要特性

• 缓存位置：可以使用内存也可以使用磁盘，如果要使用磁盘的话推荐SSD做RAID1；
• 日志存储：日志也存储在内存中，存储策略：固定大小，循环使用；
• 支持虚拟内存的使用；
• 有精确的时间管理机制，即缓存的时间属性控制；
• 状态引擎架构：在不同的引擎上完成对不同的缓存和代理数据进行处理，可以通过特定的配置语言设计不同的控制语句，以决定数据在不同位置以不同方式缓存；
• 缓存管理：以二叉堆格式管理缓存数据，做到数据的及时清理。

系统架构

Varnish主要有两个进程：Management进程与Child进程（也称为Cache进程）。

• Management进程：主要对子进程进行管理，实现应用新的配置、编译VCL、监控varnish、初始化varnish以及提供一个命令行接口等；Management进程会每隔几秒钟探测一下Child进程以判断其是否正常运行，如果在指定的时长内未得到Child进程的回应，Management将会重启此Child进程。

• Child进程：生成线程池，负责对用户请求进行处理，并通过hash查找返回用户结果。

　　　　Child进程包含多种类型的线程，常见的有：

• • Accept线程：接收新的连接请求并响应；
  • Worker线程：child进程会为每个会话启动一个worker线程，因此在高并发的场景中可能会出现数百个worker线程甚至更多；
  • Object Expiry线程：从缓存中清理过期内容；
  • Commad line线程 : 管理接口；
  • Storage/hashing线程：缓存存储；
  • Log/stats线程：日志管理线程；
  • Backend Communication线程：管理后端主机线程。

日志

为了与系统的其它部分进行交互，Child进程使用可以通过文件系统接口进行访问的共享内存日志（shared memory log），因此如果某线程需要记录信息，其仅需要持有一个锁，而后向共享内存中的某内存区域写入数据，再释放持有的锁即可；需要注意，为了减少竞争，每个worker线程都使用了日志数据缓存。

共享内存日志大小一般为90M，其分为两部分，前一部分为计数器，后半部分为客户端请求的数据。Varnish提供了多个不同的工具，如varnishlog、varnishncsa或varnishstat等来分析共享内存日志中的信息并能够以指定的方式进行显示。

算法

Varnish的Director支持的挑选方法中主要有round-robin（轮询）和random（随机）两种。其中，round-robin类型没有任何参数，只需要为其指定各后端主机即可，并在某后端主机故障时不再将其视作挑选对象；random方法随机从可用后端主机中进行挑选，每一个后端主机都需要一个.weight参数指定其权重，同时还可以使用.retires参数来设定查找一个健康后端主机时的尝试次数。

Varnish2.1.0后，random挑选方法又多了两种变化形式client和hash。client类型的Director使用client.identity作为挑选因子，这意味着client.identity相同的请求都将被发送至同一个后端主机；client.identity默认为cliet.ip，但也可以在VCL中将其修改为所需要的标识符。类似地，hash类型的Director使用hash数据作为挑选因子，这意味着对同一个URL的请求将被发往同一个后端主机，其常用于多级缓存的场景中。无论是client还hash，当其倾向于使用后端主机不可用时将会重新挑选新的后端其机。

VCL工具

Varnish Configuration Language(VCL)，Varnish配置缓存策略的工具，它是一种基于“域”(domain specific)的简单编程语言，可以使用运算符包括“ =、==、!、&& ”等，支持使用正则表达式进行字符串匹配，允许用户使用set自定义变量，支持if判断语句，也有内置的函数和变量等。VCL策略在启用前，会由management进程将其转换为C代码，而后再由gcc编译器将C代码编译成二进制程序，编译完成后management负责将其连接至varnish实例，即child进程。

后端存储

Varnish支持多种不同类型的后端存储，这可以在varnishd启动时使用-s选项指定。后端存储的类型包括：

• file：使用特定的文件存储全部的缓存数据，并通过操作系统的mmap()系统调用，将整个缓存文件映射至内存区域(如果条件允许)；
• malloc：使用malloc()库调用在varnish启动时向操作系统申请指定大小的内存空间以存储缓存对象；
• persistent(experimental)：与file的功能相同，但可以持久存储数据(即重启varnish数据时不会被清除)，但仍处于测试阶段。

Varnish无法追踪某缓存对象是否存入了缓存文件，也就无从得知磁盘上的缓存文件是否可用，因此file存储方法在varnish停止或重启时会清除数据；而persistent方法的出现对此有了一个弥补，但persistent仍处于测试阶段，其仅适用于有着巨大缓存空间的场景。

选择使用合适的存储方式有助于提升系统性。从经验的角度来看，建议在内存空间足以存储所有的缓存对象时使用malloc的方法，而file存储有着更好的性能表现。需要注意的是，varnishd实际上使用的空间比使用-s选项指定的缓存空间更大，一般说来，其需要为每个缓存对象多使用差不多1K左右的存储空间，这意味着，对于100万个缓存对象的场景来说，其使用的缓存空间将超出指定大小1G左右。另外，为了保存数据结构等，varnish自身也会占去不小的内存空间。

为varnishd指定使用的缓存类型时，-s 选项可接受的参数格式如下：

• malloc [size] 或 file [path [size [granularity]]] 或 persistent path size {experimental}

VCL内置函数

• vcl_recv函数：用于接收和处理请求。当请求到达并成功接收后被调用，通过判断请求的数据来决定如何处理请求。此函数一般以如下几个关键字结束：
  • pass：进入pass模式，把请求控制权交给vcl_pass函数；
  • pipe：进入pipe模式，把请求控制权交给vcl_pipe函数；
  • error code [reason]：返回code给客户端并放弃处理该请求；code是错误标识，例如200、405等；reason是错误提示信息。
• vcl_pipe函数：此函数在进入pipe模式时被调用，用于将请求直接传递至后端主机，在请求和返回的内容没有改变的情况下，将不变的内容返回给客户端，直到这个链接关闭。此函数一般以如下几个关键字结束：
  • error code [reason]
  • pipe
• vcl_pass函数：此函数在进入pass模式时被调用，用于将请求直接传递至后端主机，后端主机应答数据后送给客户端，但不进行任何缓存，在当前连接下每次都返回最新的内容。此函数一般以如下几个关键字结束：
  • error code [reason]
  • pass
• vcl_hash：表示在缓存里查找被请求的对象，并且根据查找的结果把控制权交给函数vcl_hit或者函数vcl_miss
• vcl_hit函数：在执行vcl_hash后，如果在缓存中找到请求的内容，将自动调用该函数。此函数一般以如下几个关键字结束：
  • deliver：表示将找到的内容发送给客户端，并把控制权交给函数vcl_deliver
  • error code [reason]
  • pass
• vcl_miss函数：在执行val_hash后，如果没有在缓存中找到请求的内容时自动调用该方法，此函数可以用于判断是否需要从后端服务器取内容。此函数一般以如下几个关键字结束：
  • fetch：表示从后端获取请求的内容，并把控制权交给vcl_fetch函数
  • error code [reason]
  • pass
• vcl_fetch函数：在从后端主机更新缓存并且获取内容后调用该方法，接着，通过判断获取的内容来决定是否将内容放入缓存，还是直接返回给客户端。此函数一般以如下几个关键字结束：
  • error code [reason]
  • pass
  • deliver
• vcl_deliver函数：在缓存中找到请求的内容后，发送给客户端前调用此方法。此函数一般以如下几个关键字结束：
  • error code [reason]
  • deliver
• vcl_timeout函数：此函数在缓存内容到期前调用。一般以如下几个关键字结束：
  • discard：表示从缓存中清除该内容。
  • fetch
• vcl_discard函数：在缓存内容到期后或缓存空间不够时，自动调用该方法。此函数一般以如下几个关键字结束：
  • keep：表示将内容继续保留在缓存中
  • discard

以下是VCL处理流程图，通过下图可以更清楚Varnish的工作过程：

Varnish处理 HTTP请求 的过程分为以下几个步骤：

• Receive状态，也就是请求处理的入口状态，根据VCL规则判断该请求应该Pass或Pipe，或者进入Lookup（本地查询）；
• PIPE状态，不可缓存数据，直接管道后端处理；
• Lookup状态，进入此状态后，会在hash表中查找数据，若找到，则进入Hit状态，否则进入miss状态；
• Pass状态，在此状态下，会进入后端请求，即进入Fetch状态；
• Fetch状态，在Fetch状态下，对请求进行后端获取，发送请求，获得数据，并进行本地存储；
• Deliver状态，将获取到的数据发送给客户端，然后完成本次请求。

VCL内置公用变量

• 当请求到达后，可以使用的公用变量如下所示：
  • req.backend：指定对应的后端主机
  • server.ip：表示服务器端IP
  • client.ip：表示客户端IP
  • req.request：指定请求的类型，例如GET、HEAD、POST等
  • req.url：指定请求的地址
  • req.proto：表示客户端发起请求的HTTP协议版本
  • req.http.header：表示对应请求中的http头部信息
  • req.restarts：表示请求重启的次数，默认最大值为4
• Varnish 在向后端主机请求时，可以使用的公用变量如下所示：
  • beresp.request：指定请求的类型，例如GET、HEAD等
  • beresp.url：指定请求的地址
  • beresp.proto：表示客户端发起请求的HTTP协议版本
  • beresp.http.header：表示对应请求中的http头部信息
  • beresp.ttl：表示缓存的生存周期，也就是cache保留多长时间，单位是秒
• 从cache或者后端主机获取内容后，可以使用的公用变量如下所示：
  • obj.status：返回内容的请求状态代码，例如200、302、504等
  • obj.cacheable：返回的内容是否可以缓存，也就是说，如果HTTP返回是200、203、300、301、302、404、410等，并且有非0的生存期，则可以缓存
  • obj.valid：表示是否是有效的HTTP应答
  • obj.response：返回内容的请求状态信息
  • obj.proto：返回内容的HTTP协议版本
  • obj.ttl：返回内容的生存周期，也就是缓存时间，单位是秒
  • obj.lastuse：返回上一次请求到现在的间隔时间，单位是秒
• 对客户端应答时，可以使用的公用变量如下所示：
  • resp.status：返回客户端的HTTP状态代码
  • resp.proto：返回客户端的HTTP协议版本
  • resp.http.header：返回客户端的HTTP头部信息
  • resp.response：返回客户端的HTTP状态信息

　　如果想要了解更多请查阅Varnish官方文档 查看文档。