使用四种框架分别实现1百万websocket常连接的服务器

jopen 9年前

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 和 Node.js 六种框架的实现)

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。

                 net.ipv4.tcp_wmem = 4096 87380 4161536      
             net.ipv4.tcp_rmem = 4096 87380 4161536      
             net.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：

                 * hard    nofile      1000000      
             * soft    nofile      1000000      
             root      hard    nofile      1000000      
             root      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：

1 2	[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

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：

                 JAVA_OPTS="-Xms12G -Xmx12G -Xss1M -XX:+UseParallelGC"

V8引擎

                 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

                 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。

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

修改/etc/sysctl.conf文件：

                 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

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

/etc/security/limits.conf配置

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

服务端配置如下：
/etc/sysctl.conf配置

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

/etc/security/limits.conf配置

                 * 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。

                 [roocolobu ~]# ss -s; free -m      
             Total: 1200231 (kernel 1200245)      
             TCP: 1200006 (estab 1200002, closed 0, orphaned 0, synrecv 0, timewait 0/0), ports 4      
                   
             Transport 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     cached      
             Mem: 30074 15432 14641 0 9 254      
             -/+ buffers/cache: 15167 14906      
             Swap: 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。

                 02:15:43.307 [pool-1-thread-1] INFO com.colobu.webtest.netty.WebServer$ - send msg to channels for c4453a26-bca6-42b6-b29b-43653767f9fc      
             02:15:57.190 [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。

                 ----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。

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

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。

                 [root@colobu ~]# ss -s; free -m      
             Total: 1200234 (kernel 1200251)      
             TCP: 1200006 (estab 1200002, closed 0, orphaned 0, synrecv 0, timewait 0/0), ports 4      
                   
             Transport 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     cached      
             Mem: 30074 22371 7703 0 10 259      
             -/+ buffers/cache: 22100 7973      
             Swap: 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。

                 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-6cdf3e6787bf      
             05/22 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

                 ----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。

                 Active WebSockets for 6674c9d8-24c6-4e77-9fc0-58afabe7436f      
             count = 60000      
             WebSocket 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。

                 [root@colobu ~]# ss -s; free -m      
             Total: 1200234 (kernel 1200240)      
             TCP: 1200006 (estab 1200002, closed 0, orphaned 0, synrecv 0, timewait 0/0), ports 4      
                   
             Transport 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     cached      
             Mem: 30074 18497 11576 0 10 286      
             -/+ buffers/cache: 18200 11873      
             Swap: 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。

                 03:19:31.154 [pool-1-thread-1] INFO c.colobu.webtest.undertow.WebServer$ - send msg to channels for d9b450da-2631-42bc-a802-44285f63a62d      
             03:19:46.755 [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。

                 Active WebSockets for b2e95e8d-b17a-4cfa-94d5-e70832034d4d      
             count = 60000      
             WebSocket 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/minute      
             Setup 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。

                 Active WebSockets for 537c7f0d-e58b-4996-b29e-098fe2682dcf      
             count = 60000      
             WebSocket 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

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