四种框架分别实现百万websocket常连接的服务器

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七种框架。
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/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。

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:

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:

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:

2. V8引擎

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

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。

修改/etc/sysctl.conf文件:

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

/etc/security/limits.conf配置

服务端配置如下
/etc/sysctl.conf配置

/etc/security/limits.conf配置

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。

  • 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。

发送时CPU使用率并不高,网络带宽占用基本在10M左右。

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。

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。

  • 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。


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。

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。

    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。

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。

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。

参考文档

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