使用四種框架分別實現百萬websocket常連接的服務器

著名的 C10K 問題提出的時候, 正是 2001 年。這篇文章可以說是高性能服務器開發的一個標志性文檔，它討論的就是單機為1萬個連接提供服務這個問題，當時因為硬件和軟件的**，單機1萬還是
一個非常值得挑戰的目標。但是時光荏苒，隨着硬件和軟件的飛速發展，單機1萬的目標已經變成了最簡單不過的事情。現在用任何一種主流語言都能提供單機
1萬的並發處理的能力。所以現在目標早已提高了100倍，變成C1000k，也就是一台服務器為100萬連接提供服務。在2010年,2011年已經看到一些實現C1000K的文章了，所以在2015年，實現C1000K應該不是一件困難的事情。

本文是我在實踐過程中的記錄，我的目標是使用spran-websocket，netty, undertow和node.js四種框架分別實現C1000K的服務器，看看這幾個框架實現的難以程度，性能如何。開發語言為Scala和Javascript。

當然，談起性能，我們還必須談到每秒每個連接有多少個請求，也就是RPS數，還要考慮每條消息的大小。
一般來說，我們會選取一個百分比，比如每秒20%的連接會收發消息。我的需求是服務器只是push,客戶端不會主動發送消息。 一般每一分鍾會為這一百萬群發一條消息。
所以實現的測試工具每個client建立60000個websocket連接，一共二十個client。實際不可能使用20台機器，我使用了兩台AWS C3.2xlarge(8核16G)服務器作為客戶端機。每台機器10個客戶端。
服務器每1分鍾群發一條消息。消息內容很簡單，只是服務器的當天時間。

最近看到360用Go實現的消息推送系統，下面是他們的數據：

目前360消息推送系統服務於50+內部產品，萬款開發平台App，實時長連接數億量級，日獨數十億量級，1分鍾內可以實現億量級廣播，日下發峰值百億量級，400台物理機，3000多個實例分布在9個獨立集群中，每個集群跨國內外近10個IDC。

四個服務器的代碼和Client測試工具代碼可以在github上下載。 (其實不止四種框架了，現在包括Netty, Undertow, Jetty, Spray-websocket, Vert.x, Grizzly 和 Node.js 七種框架的實現)

測試下來可以看到每種服務器都能輕松達到同時120萬的websocket活動連接，只是資源占用和事務處理時間有差別。120萬只是保守數據，在這么多連接情況下服務器依然很輕松，下一步我會進行C2000K的測試。

在測試之前我們需要對服務器/客戶機的一些參數進行調優。

服務器的參數調優

一般會修改兩個文件，/etc/sysctl.conf和/etc/security/limits.conf， 用來配置TCP/IP參數和最大文件描述符。

TCP/IP參數配置

修改文件/etc/sysctl.conf,配置網絡參數。

1 2 3

net.ipv4. tcp_wmem = 4096 87380 4161536 net.ipv4. tcp_rmem = 4096 87380 4161536 net.ipv4. tcp_mem = 786432 2097152 3145728

數值根據需求進行調整。更多的參數可以看以前整理的一篇文章: Linux TCP/IP 協議棧調優 。
執行/sbin/sysctl -p即時生效。

最大文件描述符

Linux內核本身有文件描述符最大值的**，你可以根據需要更改：

• 系統最大打開文件描述符數：/proc/sys/fs/file-max
  1. 臨時性設置：echo 1000000 > /proc/sys/fs/file-max
  2. 永久設置：修改/etc/sysctl.conf文件，增加fs.file-max = 1000000
• 進程最大打開文件描述符數
  使用ulimit -n查看當前設置。使用ulimit -n 1000000進行臨時性設置。
  要想永久生效，你可以修改/etc/security/limits.conf文件，增加下面的行：

1 2 3 4

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

還有一點要注意的就是hard limit不能大於/proc/sys/fs/nr_open，因此有時你也需要修改nr_open的值。
執行echo 2000000 > /proc/sys/fs/nr_open

查看當前系統使用的打開文件描述符數，可以使用下面的命令：

1 2	[root@localhost ~]# cat /proc/sys/fs/file-nr 1632 0 1513506

其中第一個數表示當前系統已分配使用的打開文件描述符數，第二個數為分配后已釋放的（目前已不再使用），第三個數等於file-max。

總結一下：

• 所有進程打開的文件描述符數不能超過/proc/sys/fs/file-max
• 單個進程打開的文件描述符數不能超過user limit中nofile的soft limit
• nofile的soft limit不能超過其hard limit
• nofile的hard limit不能超過/proc/sys/fs/nr_open

應用運行時調優

1. Java 應用內存調優
   服務器使用12G內存，吞吐率優先的垃圾回收器：

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

1. V8引擎

1	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

如果服務器本身內存不大，比如8G，在不到100萬連接的情況下，你的服務器進程有可能出現"Killed"的問題。 運行dmesg可以看到

1	Out of memory: Kill process 10375 (java) score 59 or sacrifice child

這是Linux的OOM Killer主動殺死的。 開啟oom-killer的話，在/proc/pid下對每個進程都會多出3個與oom打分調節相關的文件。臨時對某個進程可以忽略oom-killer可以使用下面的方式:
echo -17 > /proc/$(pidof java)/oom_adj
解決辦法有多種，可以參看文章最后的參考文章,最好是換一個內存更大的機器。

客戶端的參數調優

在一台系統上，連接到一個遠程服務時的本地端口是有限的。根據TCP/IP協議，由於端口是16位整數，也就只能是0到 65535，而0到1023是預留端口，所以能分配的端口只是1024到65534，也就是64511個。也就是說，一台機器一個IP只能創建六萬多個長 連接。
要想達到更多的客戶端連接，可以用更多的機器或者網卡，也可以使用虛擬IP來實現,比如下面的命令增加了19個IP地址，其中一個給服務器用，其它18個給client,這樣
可以產生18 * 60000 = 1080000個連接。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

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：

1	net.ipv4.ip_local_port_range = 1024 65535

執行/sbin/sysctl -p即時生效。

服務器測試

實際測試中我使用一台AWS C3.4xlarge (16 cores, 32G memory)作為應用服務器，兩台AWS C3.2xlarge (8 cores, 16G memory)服務器作為客戶端。
這兩台機器作為測試客戶端綽綽有余，每台客戶端機器創建了十個內網虛擬IP, 每個IP創建60000個websocket連接。

客戶端配置如下：
/etc/sysctl.conf配置

1 2 3

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

/etc/security/limits.conf配置

1 2 3 4 5

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

服務端配置如下：
/etc/sysctl.conf配置

1 2 3

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

/etc/security/limits.conf配置

1 2 3 4 5

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

Netty服務器

• 建立120萬個連接，不發送消息，輕輕松松達到。內存還剩14G未用。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

[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

• 每分鍾給所有的120萬個websocket發送一條消息，消息內容為當前的服務器的時間。這里發送顯示是單線程發送，服務器發送完120萬個總用時15秒左右。

1 2	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

發送時CPU使用率並不高，網絡帶寬占用基本在10M左右。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

----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

客戶端(一共20個，這里選取其中一個查看它的指標)。每個客戶端保持6萬個連接。每個消息從服務器發送到客戶端接收到總用時平均633毫秒，而且標准差很小，每個連接用時差不多。

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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

平均每個client的RPS = 1000, 總的RPS大約為 20000 requests /seconds.
latency平均值為633 ms，最長735 ms，最短627ms。

Spray服務器

• 建立120萬個連接，不發送消息，輕輕松松達到。它的內存相對較高，內存還剩7G。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

[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

• 每分鍾給所有的120萬個websocket發送一條消息，消息內容為當前的服務器的時間。
  CPU使用較高，發送很快，帶寬可以達到46M。群發完一次大約需要8秒左右。

1 2	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

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

----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

客戶端(一共20個，這里選取其中一個查看它的指標)。每個客戶端保持6萬個連接。每個消息從服務器發送到客戶端接收到總用時平均1412毫秒，而且標准差較大，每個連接用時差別較大。

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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120萬個連接，不發送消息，輕輕松松達到。內存占用較少，還剩余11G內存。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

[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

• 每分鍾給所有的120萬個websocket發送一條消息，消息內容為當前的服務器的時間。
  群發玩一次大約需要15秒。

1 2	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

客戶端(一共20個，這里選取其中一個查看它的指標)。每個客戶端保持6萬個連接。每個消息從服務器發送到客戶端接收到總用時平均672毫秒，而且標准差較小，每個連接用時差別不大。

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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不是我要考慮的框架，列在這里只是作為參考。性能也不錯。

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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

參考文檔

1. HTTP長連接200萬嘗試及調優
3. 100萬並發連接服務器筆記之1M並發連接目標達成
4. 知乎：如何實現單服務器300萬個長連接的？
5. 構建C1000K的服務器
6. 千萬級並發實現的秘密
7. C1000k 新思路：用戶態 TCP/IP 協議棧
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?utm_source=feedly&utm_reader=feedly&utm_medium=rss&utm_campaign=rss
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