高性能 Nginx HTTPS 調(diào)優(yōu) - 如何為 HTTPS 提速 30%
Nginx 常作為最常見的服務(wù)器，常被用作負(fù)載均衡 (Load Balancer)、反向代理 (Reverse Proxy)，以及網(wǎng)關(guān) (Gateway) 等等。一個配置得當(dāng)?shù)?Nginx 服務(wù)器單機應(yīng)該可以期望承受住 50K 到 80K 左右[1]每秒的請求，同時將 CPU 負(fù)載在可控范圍內(nèi)。
但在很多時候，負(fù)載并不是需要首要優(yōu)化的重點。比如對于卡拉搜索來說，我們希望用戶在每次擊鍵的時候，可以體驗即時搜索的感覺，也就是說，每個搜索請求必須在 100ms - 200ms 的時間內(nèi)端對端地返回給用戶，才能讓用戶搜索時沒有“卡頓”和“加載”。因此，對于我們來說，優(yōu)化請求延遲才是最重要的優(yōu)化方向。
這篇文章中，我們先介紹 Nginx 中的 TLS 設(shè)置有哪些與請求延遲可能相關(guān)，如何調(diào)整才能最大化加速。然后我們用優(yōu)化卡拉搜索[2] Nginx 服務(wù)器的實例來分享如何調(diào)整 Nginx TLS/SSL 設(shè)置，為首次搜索的用戶提速 30% 左右。我們會詳細(xì)討論每一步我們做了一些什么優(yōu)化，優(yōu)化的動機和效果。希望可以對其它遇到類似問題的同學(xué)提供幫助。
照例，本文的 Nginx 設(shè)置文件放置于 github，歡迎直接使用: 高性能 Nginx HTTPS 調(diào)優(yōu)[3]
TLS 握手和延遲
很多時候開發(fā)者會認(rèn)為：如果不是絕對在意性能，那么了解底層和更細(xì)節(jié)的優(yōu)化沒有必要。這句話在很多時候是恰當(dāng)?shù)?，因為很多時候復(fù)雜的底層邏輯必須包起來，才能讓更高層的應(yīng)用開發(fā)復(fù)雜度可控。比如說，如果你就只需要開發(fā)一個 APP 或者網(wǎng)站，可能并沒有必要關(guān)注匯編細(xì)節(jié)，關(guān)注編譯器如何優(yōu)化你的代碼——畢竟在蘋果或者安卓上很多優(yōu)化在底層就做好了。
那么，了解底層的 TLS 和應(yīng)用層的 Nginx 延遲優(yōu)化有什么關(guān)系呢？
答案是多數(shù)情況下，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)延遲其實是在嘗試減少用戶和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)，也就是所謂的 roundtrip。由于物理限制，北京到云南的光速傳播差不多就是要跑 20 來毫秒，如果你不小心讓數(shù)據(jù)必須多次往返于北京和云南之間，那么必然延遲就上去了。
因此如果你需要優(yōu)化請求延遲，那么了解一點底層網(wǎng)絡(luò)的上下文則會大有裨益，很多時候甚至是你是否可以輕松理解一個優(yōu)化的關(guān)鍵。本文中我們不深入討論太多 TCP 或者 TLS 機制的細(xì)節(jié)，如果有興趣的話請參考 High Performance Browser Networking[4] 一書，可以免費閱讀。
舉個例子，下圖中展示了如果你的服務(wù)啟用了 HTTPS，在開始傳輸任何數(shù)據(jù)之前的數(shù)據(jù)傳輸情況。
可以看到，在你的用戶拿到他需要的數(shù)據(jù)前，底層的數(shù)據(jù)包就已經(jīng)在用戶和你的服務(wù)器之間跑了 3 個來回。
假設(shè)每次來回需要 28 毫秒的話，用戶已經(jīng)等了 224 毫秒之后才開始接收數(shù)據(jù)。
同時這個 28 毫秒其實是非常樂觀的假設(shè)，在國內(nèi)電信、聯(lián)通和移動以及各種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)狀況下，用戶與服務(wù)器之間的延遲更不可控。另一方面，通常一個網(wǎng)頁需要數(shù)十個請求，這些請求不一定可以全部并行，因此幾十乘以 224 毫秒，頁面打開可能就是數(shù)秒之后了。
所以，原則上如果可能的話，我們需要盡量減少用戶和服務(wù)器之間的往返程 (roundtrip)，在下文的設(shè)置中，對于每個設(shè)置我們會討論為什么這個設(shè)置有可能幫助減少往返程。
Nginx 中的 TLS 設(shè)置
那么在 Nginx 設(shè)置中，怎樣調(diào)整參數(shù)會減少延遲呢？
開啟 HTTP/2
HTTP/2 標(biāo)準(zhǔn)是從 Google 的 SPDY 上進行的改進，比起 HTTP 1.1 提升了不少性能，尤其是需要并行多個請求的時候可以顯著減少延遲。在現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)上，一個網(wǎng)頁平均需要請求幾十次，而在 HTTP 1.1 時代瀏覽器能做的就是多開幾個連接（通常是 6 個）進行并行請求，而 HTTP 2 中可以在一個連接中進行并行請求。HTTP 2 原生支持多個并行請求，因此大大減少了順序執(zhí)行的請求的往返程，可以首要考慮開啟。
如果你想自己看一下 HTTP 1.1 和 HTTP 2.0 的速度差異，可以試一下：https://www.httpvshttps.com/。我的網(wǎng)絡(luò)測試下來 HTTP/2 比 HTTP 1.1 快了 66%。
在 Nginx 中開啟 HTTP 2.0 非常簡單，只需要增加一個 http2 標(biāo)志即可
listen 443 ssl;
# 改為
listen 443 ssl http2;
如果你擔(dān)心你的用戶用的是舊的客戶端，比如 Python 的 requests，暫時還不支持 HTTP 2 的話，那么其實不用擔(dān)心。如果用戶的客戶端不支持 HTTP 2，那么連接會自動降級為 HTTP 1.1，保持了后向兼容。因此，所有使用舊 Client 的用戶，仍然不受影響，而新的客戶端則可以享受 HTTP/2 的新特性。
如何確認(rèn)你的網(wǎng)站或者 API 開啟了 HTTP 2
在 Chrome 中打開開發(fā)者工具，點開 Protocol 之后在所有的請求中都可以看到請求用的協(xié)議了。如果 protocol 這列的值是 h2 的話，那么用的就是 HTTP 2 了
當(dāng)然另一個辦法是直接用 curl 如果返回的 status 前有 HTTP/2 的話自然也就是 HTTP/2 開啟了。
? ~ curl --http2 -I https://kalasearch.cn
HTTP/2 403
server: Tengine
content-type: application/xml
content-length: 264
date: Tue, 22 Dec 2020 18:38:46 GMT
x-oss-request-id: 5FE23D363ADDB93430197043
x-oss-cdn-auth: success
x-oss-server-time: 0
x-alicdn-da-ups-status: endOs,0,403
via: cache13.l2et2[148,0], cache10.l2ot7[291,0], cache4.us13[360,0]
timing-allow-origin: *
eagleid: 2ff6169816086623266688093e
調(diào)整 Cipher 優(yōu)先級
盡量挑選更新更快的 Cipher，有助于減少延遲[5]:
# 手動啟用 cipher 列表
ssl_prefer_server_ciphers on;# prefer a list of ciphers to prevent old and slow ciphers
ssl_ciphers 'EECDH+AESGCM:EDH+AESGCM:AES256+EECDH:AES256+EDH'
啟用 OCSP Stapling
在國內(nèi)這可能是對使用 Let's Encrypt 證書的服務(wù)或網(wǎng)站影響最大的延遲優(yōu)化了。如果不啟用 OCSP Stapling 的話，在用戶連接你的服務(wù)器的時候，有時候需要去驗證證書。而因為一些不可知的原因（這個就不說穿了）Let's Encrypt 的驗證服務(wù)器并不是非常通暢[6]，因此可以造成有時候數(shù)秒甚至十幾秒延遲的問題[7]，這個問題在 iOS 設(shè)備上特別嚴(yán)重
解決這個問題的方法有兩個：
不使用 Let's Encrypt，可以嘗試替換為阿里云提供的免費 DV 證書 開啟 OCSP Stapling
開啟了 OCSP Stapling 的話，跑到證書驗證這一步可以省略掉。省掉一個 roundtrip，特別是網(wǎng)絡(luò)狀況不可控的 roundtrip，可能可以將你的延遲大大減少。
在 Nginx 中啟用 OCSP Stapling 也非常簡單，只需要設(shè)置：
ssl_stapling on;
ssl_stapling_verify on;
ssl_trusted_certificate /path/to/full_chain.pem;
如何檢測 OCSP Stapling 是否已經(jīng)開啟？
可以通過以下命令
openssl s_client -connect test.kalasearch.cn:443 -servername kalasearch.cn -status -tlsextdebug < /dev/null 2>&1 | grep -i "OCSP response"
來測試。如果結(jié)果為
OCSP response:
OCSP Response Data:
OCSP Response Status: successful (0x0)
Response Type: Basic OCSP Response
則表明已經(jīng)開啟。參考 HTTPS 在 iPhone 上慢的問題[8] 一文。
調(diào)整 ssl_buffer_size
ssl_buffer_size 控制在發(fā)送數(shù)據(jù)時的 buffer 大小，默認(rèn)設(shè)置是 16k。這個值越小，則延遲越小，而添加的報頭之類會使 overhead 會變大，反之則延遲越大，overhead 越小。
因此如果你的服務(wù)是 REST API[9] 或者網(wǎng)站的話，將這個值調(diào)小可以減小延遲和 TTFB，但如果你的服務(wù)器是用來傳輸大文件的，那么可以維持 16k。關(guān)于這個值的討論和更通用的 TLS Record Size 的討論，可以參考：Best value for nginx's ssl*buffer*size option[10]
如果是網(wǎng)站或者 REST API，建議值為 4k，但是這個值的最佳取值顯然會因為數(shù)據(jù)的不同而不一樣，因此請嘗試 2 - 16k 間不同的值。在 Nginx 中調(diào)整這個值也非常容易
ssl_buffer_size 4k;
啟用 SSL Session 緩存
啟用 SSL Session 緩存可以大大減少 TLS 的反復(fù)驗證，減少 TLS 握手的 roundtrip。雖然 session 緩存會占用一定內(nèi)存，但是用 1M 的內(nèi)存就可以緩存 4000 個連接，可以說是非常非常劃算的。同時，對于絕大多數(shù)網(wǎng)站和服務(wù)，要達到 4000 個同時連接本身就需要非常非常大的用戶基數(shù)，因此可以放心開啟。
這里 ssl_session_cache 設(shè)置為使用 50M 內(nèi)存，以及 4 小時的連接超時關(guān)閉時間 ssl_session_timeout
# Enable SSL cache to speed up for return visitors
ssl_session_cache shared:SSL:50m; # speed up first time. 1m ~= 4000 connections
ssl_session_timeout 4h;
卡拉搜索如何減少 30% 的請求延遲
卡拉搜索是國內(nèi)的 Algolia[11]，致力于幫助開發(fā)者快速搭建即時搜索功能(instant search)，做國內(nèi)最快最易用的搜索即服務(wù)。
開發(fā)者接入后，所有搜索請求通過卡拉 API 即可直接返回給終端用戶。為了讓用戶有即時搜索的體驗，我們需要在用戶每次擊鍵后極短的時間內(nèi)（通常是 100ms 到 200ms）將結(jié)果返回給用戶。因此每次搜索需要可以達到 50 毫秒以內(nèi)的引擎處理時間和 200 毫秒以內(nèi)的端對端時間。
我們用豆瓣電影的數(shù)據(jù)做了一個電影搜索的 Demo，如果感興趣的話歡迎體驗一下即時搜索，嘗試一下搜索“無間道”或者“大話西游”體驗一下速度和相關(guān)度：https://movies-demo.kalasearch.cn/
對于每個請求只有 100 到 200 毫秒的延遲預(yù)算，我們必須把每一步的延遲都考慮在內(nèi)。
簡化一下，每個搜索請求需要經(jīng)歷的延遲有
總延遲 = 用戶請求到達服務(wù)器(T1) + 反代處理(Nginx T2) + 數(shù)據(jù)中心延遲(T3) + 服務(wù)器處理 (卡拉引擎 T4) + 用戶請求返回(T3+T1)
在上述延遲中，T1 只與用戶與服務(wù)器的物理距離相關(guān)，而 T3 非常小（參考Jeff Dean Number[12])可以忽略不計。
所以我們能控制的大致只有 T2 和 T4，即 Nginx 服務(wù)器的處理時間和卡拉的引擎處理時間。
Nginx 在這里作為反向代理，處理一些安全、流量控制和 TLS 的邏輯，而卡拉的引擎則是一個在 Lucene 基礎(chǔ)上的倒排引擎。
我們首先考慮的第一個可能性是：延遲是不是來自卡拉引擎呢？
在下圖展示的 Grafana 儀表盤[13]中，我們看到除了幾個時不時的慢查詢，搜索的 95% 服務(wù)器處理延遲小于 20 毫秒。對比同樣的數(shù)據(jù)集上 benchmark 的 Elastic Search 引擎的 P95 搜索延遲則在 200 毫秒左右，所以排除了引擎速度慢的可能。
而在阿里云監(jiān)控中，我們設(shè)置了從全國各地向卡拉服務(wù)器發(fā)送搜索請求。我們終于發(fā)現(xiàn) SSL 處理時間時常會超過 300 毫秒，也就是說在 T2 這一步，光處理 TLS 握手之類的事情，Nginx 已經(jīng)用掉了我們所有的請求時間預(yù)算。
同時檢查之后我們發(fā)現(xiàn)，在蘋果設(shè)備上搜索速度格外慢，特別是第一次訪問的設(shè)備。因此我們大致判斷應(yīng)該是因為我們使用的 Let's Encrypt 證書的問題。
我們按照上文中的步驟對 Nginx 設(shè)置進行了調(diào)整，并將步驟總結(jié)出來寫了這篇文章。在調(diào)整了 Nginx TLS 的設(shè)置后，SSL 時間從平均的 140ms 降低到了 110ms 左右（全國所有省份聯(lián)通和移動測試點），同時蘋果設(shè)備上首次訪問慢的問題也消失了。
在調(diào)整過后，全國范圍內(nèi)測試的搜索延遲降低到了 150 毫秒左右。
總結(jié)
調(diào)整 Nginx 中的 TLS 設(shè)置對于使用 HTTPS 的服務(wù)和網(wǎng)站延遲有非常大的影響。本文中總結(jié)了 Nginx 中與 TLS 相關(guān)的設(shè)置，詳細(xì)討論各個設(shè)置可能對延遲的影響，并給出了調(diào)整建議。之后我們會繼續(xù)討論 HTTP/2 對比 HTTP 1.x 有哪些具體改進，以及在 REST API 使用 HTTP/2 有哪些優(yōu)缺點，請繼續(xù)關(guān)注。
