高性能缓存服务器Varnish解析

文/刘鑫

Varnish是一款高性能、开源的反向代理服务器和缓存服务器，其开发者Poul-Henning Kamp是FreeBSD核心的开发人员之一。Varnish采用全新的软件体系结构，和现在的硬件体系配合比较紧密。

当前计算机系统的内存除了主存外，还包括CPU的L1级缓存、L2级缓存，甚至还包括L3级缓存。硬盘也有缓存，而Squid的架构导致其无法做到最佳存取，但操作系统可以实现这部分功能，所以这部分工作应该交给操作系统来处理，这就是Varnish Cache设计架构。挪威最大的在线报纸Verdens Gang(vg.no)使用了3台Varnish服务器代替了原来的12台Squid服务器，而且性能比以前更好，这是Varnish最成功的应用案例之一。目前，Varnish可以在FreeBSD6.0/7.0、Solaris和Linux 2.6内核上运行。

Varnish的结构特点

Varnish的先进设计理念和成熟的设计框架是其主要特点。Varnish把数据存放在服务器的内存中，这种模式的效率是最高的，不过重启后数据会消失，官方透露3.0版本可以解决这个问题。Varnish可以设置0～60秒的精确缓存时间，不过32位的机器支持的缓存文件最大为2 GB。Varnish采用VCL的配置，而且具有强大的管理功能，如top、stat、admin、lis，所以管理方式比较灵活。Varnish的状态机设计不仅巧妙，结构也很清晰，利用二叉堆管理缓存文件，即可达到随时删除的目的。

Varnish和Squid的对比

Squid 也是一种开源的代理缓存软件，下面对比 Varnish 和 Squid 的不同点。

Varnish的稳定性很好。两者在完成相同负载的工作时，Squid服务器发生故障的几率要高于Varnish，因此Squid需要经常重启。Varnish访问速度更快。Varnish采用了 Visual Page Cache技术，所有缓存的数据都直接从内存读取，而Squid从硬盘读取缓存的数据，所以Varnish在访问速度方面会更快一些。Varnish可以支持更多的并发连接。因为Varnish的TCP连接与释放比Squid快，所以在高并发连接情况下可以支持更多的TCP连接。Varnish可以通过管理端口来管理缓存，使用正则表达式就可以批量清除部分缓存，而Squid做不到这一点。

当然，和传统的Squid相比，Varnish也有缺点。

Varnish在高并发状态下，CPU、I/O和内存等资源的开销高于Squid。Varnish的进程一旦挂起、崩溃或者重启，缓存的数据都会从内存中释放出来。此时的所有请求都会被发送到后端应用服务器上，在高并发的情况下，就会给后端服务器造成很大压力。

Varnish实践部署

Varnish编译安装

首先需要建立Varnish用户以及用户组来运行Varnish，并且创建Varnish缓存目录和日志目录。

useradd  -s /sbin/nologin varnish

mkdir /data/varnish/cache

mkdir /data/varnish/log

chown -R varnish:varnish  /data/varnish/cache

chown -R varnish:varnish  /data/varnish/log

Varnish的官方网址为 http://varnish-cache.org，可以在这里下载最新版本的软件。在安装Varnish前需要安装PCRE库。如果没有安装该库，在Varnish 2以上版本编译时，就会提示找不到PCRE库。PCRE库则可以兼容正则表达式，所以必须先安装。下面介绍其安装过程。

tar zxvf pcre-XXX.tar.gz

cd pcre-XXX/

./configure –prefix=/usr/local/pcre/

make && make install

安装完PCRE库以后，接下来安装Varnish。

tar -zxvf varnish-2.1.X.tar.gz

cd varnish-2.1.X

export PKG_CONFIG_PATH=/usr/local/lib/pkgconfig

./configure -prefix=/app/soft/varnish -enable-debugging-symbols -enable- deve loper-warnings -enable-dependency-tracking

make

make install

cp redhat/varnish.initrc  /etc/init.d/varnish

cp redhat/varnish.sysconfig  /etc/sysconfig/varnish

export PKG_CONFIG_PATH=/usr/local/lib/pkgconfig 这一行一定要有，不然在编译的时候会报错。这一行用于指定Varnish查找PCRE库的路径，如果PCRE安装到其他路径下，在这里指定即可，Varnish默认查找PCRE库的路径为/usr/local/lib/pkgconfig。

最后面的两行是复制Varnish的相关脚本，用于脚本的初始化、启动、停止等。

Varnish安装完毕。

Varnish配置文件详解

Varnish需要在多台服务器上缓存数据，就需要Varnish映射所有的URL到一台单独的主机。

backend webserver {

.host = ”127.0.0.1″;

.port = ”80″;

.connect_timeout = 4s;

.first_byte_timeout = 5s;

.between_bytes_timeout = 20s;

}

 

该块配置用于定义一台Varnish默认访问的后端服务器，当Varnish需要从后端服务器获取数据时，就会访问自己的80端口。

当然Varnish也可以定义多台后端服务器实现负载均衡的目的。

.connect_timeout定义的是等待连接后端的时间

.first_byte_timeout定义的是等待从backend传输过来的第一个字节的时间

.between_bytes_timeout 定义的是两个字节的间隔时间

当然还可以增加一个backend，用于访问本机的8090端口，假设通过该端口提供图片服务。

backend img {

.host = ”127.0.0.1″;

.port = ”8090″;

}

当匹配img的URL时，需把请求发送到上面定义的backend img，其他的请求发送到backend webserver。

sub vcl_recv {

if (req.url ～ ”^/img/”) {

set req.backend = img;

} else {

set req.backend = webserver.

}

}

 

Varnish不仅仅可以定义多个backend，还可以把多个backend合成一个组，使用循环的方式把请求分配给组中的backends。并且Varnish会根据健康检查情况来判断后端服务器是否正常提供服务。

Varnish使用区域语言VCL来管理定义Varnish的存取策略。VCL语法简单，跟Perl比较相似，可以使用多种运算符如“=”、“==”、“!,&&,!!”等形式；也可以使用正则表达式来进行匹配，还可以使用“set”来指定变量。当执行VCL时，Varnish会先把VCL转换成二进制代码。

有一点要注意，“\”字符在VCL里没有什么特别的含义，这点和其他语言不同。另外，VCL只是配置语言，并不是真正的编程语言，所以没有循环和自定义变量。

为了可以更好地对Varnish进行配置调整，需要了解Varnish的配置语法，也就是VCL语言。下面对VCL常用的一些函数和变量进行介绍。

（1）vcl_recv模块

用于接收和处理请求。当请求成功被调用后，Varnish通过判断请求的数据来决定如何处理请求。此模块一般以如下几个关键字结束。

• pass：表示进入pass模式，把请求交给vcl_pass模块处理。
• pipe：表示进入pipe模式，把请求交给vcl_pipe模块处理。

error code [reason]：表示把错误标识返回给客户端，并放弃处理该请求。错误标识包括200、405等。“reason”是对错误的提示信息。

（2）vcl_pipe模块

此模块在请求进入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，也就是在当前连接未关闭时，服务器将不变的内容返回给客户端，直到该连接被关闭。

（3）vcl_pass模块

此模块表示当请求被pass后，用于将请求直接传递至后端应用服务器。后端应用服务器在接收请求后将数据发送给客户端，但不进行任何数据的缓存，在当前连接下每次都返回最新的内容。

（4）lookup

一个请求在vcl_recv中被lookup后，Varnish将在缓存中提取数据。如果缓存中有相应的数据，就把控制权交给vcl_hit模块；如果缓存中没有相应的数据，请求将被设置为pass并将其交给vcl_miss模块。

（5）vcl_hit模块

执行lookup指令后，Varnish在缓存中找到请求的内容后将自动调用该模块。

在此模块中，deliver表示将找到的数据发送给客户端，并把控制权交给vcl_deliver模块。

（6）vcl_miss模块

执行lookup后，Varnish在缓存中没有找到请求的内容时会自动调用该方法。此模块可以用于判断是否需要从后端服务器获取内容。

在此模块中，fetch表示从后端获取请求的数据，并把控制权交给vcl_fetch模块。

（7）vcl_fetch模块

在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将内容放入缓存，还是直接返回给客户端。

（8）vcl_deliver模块

当一个没有被缓存的数据交付给客户端的时候被调用。

（9）vcl_timeout 模块

在缓存数据到期前调用此模块。

在此模块中，discard表示从缓存中清除到期数据。

（10）vcl_discard模块

在缓存数据到期后或缓存空间不够时，自动调用该模块。

在此模块中keep表示将数据继续保留在缓存中。

acl purge {

“localhost”;

“127.0.0.1″;

“18.81.12.10″;

}

if (req.request == ”PURGE”) {

if (!client.ip ～ purge) {

error 405 ”Not allowed.”;

}

return(lookup);

}

这两个规则定义了允许哪些主机通过HTTP来执行PURG进行缓存删除。如果不是指定的IP，就会出现HTTP 405错误，提示Not allowed错误字样。

if (req.http.host ～ ”^(read)?.aaa.com$”) {

set req.backend = webserver;

if (req.request != ”GET” && req.request != ”HEAD”) {

return(pipe);

}

else {

return(lookup);

}

}

else {

error 404 ” Cache Server”;

return(lookup);

}

这段条件判断用于对aaa.com域名进行缓存加速，aaa.com是泛指概念，也就是说所有以aaa.com结尾的域名都进行缓存。而if (req.request != ”GET” && req.request != ”HEAD”) 表示“如果请求的类型不是GET与HEAD”，则返回错误码404。

if (req.url ～ ”^/images”) {

unset req.http.cookie;

}

这条规则的意思是清除服务器上/images目录下的所有缓存，当这个请求在后端服务器生效时，如果访问的URL匹配这个规则，那么头信息中的cookie就会被删除。

if (req.request == ”GET” && req.url ～ ”\.(png|swf|txt|png|gif|jpg|css|js|htm| html)$”) {

unset req.http.cookie;

}

if (req.http.x-forwarded-for) {

set req.http.X-Forwarded-For =

req.http.X-Forwarded-For ”, ” client.ip; }

else { set req.http.X-Forwarded-For = client.ip; }

因为Squid、Varnish都会把客户端的IP地址放在HTTP_X_FORWARDED_FOR里面传给后端的Web服务器，所以后端的Web程序都要对其进行调用。

if (req.request != ”GET” &&

req.request != ”HEAD” &&

req.request != ”PUT” &&

req.request != ”POST” &&

req.request != ”TRACE” &&

req.request != ”OPTIONS” &&

req.request != ”DELETE”) {

return (pipe);

}

该if判断表示如果请求的类型不是GET、HEAD、PUT、POST、TRACE、OPTIONS、DELETE时，则进入pipe模式。注意这里的“&&”是与的关系。

if (req.request == ”GET” && req.url ～ ”\.(png|swf|txt|png|gif|jpg|css|js|htm| html)”) {

set beresp.ttl = 180s;

}

else {

set beresp.ttl = 30d;

}

return (deliver);

}

该if判断用于对请求类型是GET，并且请求的URL以png、swf、txt、gif、css、js等结尾时，则进行缓存，缓存时间为180秒。其他缓存为30天。

sub vcl_deliver {

set resp.http.x-hits = obj.hits ;

if (obj.hits > 0) {

set resp.http.X-Cache = ”HIT read.easouu.com”;

}

else {

set resp.http.X-Cache = ”MISS read.easou.com”;

}

这个模块定义的是添加一个Header标识，以判断缓存是否命中。

sub vcl_error {

set obj.http.Content-Type = ”text/html; charset=utf-8″;

synthetic {”

<?xml version=”1.0″ encoding=”utf-8″?>

<!DOCTYPE html PUBLIC ”-//W3C//DTD XHTML 1.0 Strict//EN” ”http://www.w3.org/TR/ xhtml1/DTD/xhtml1-strict.dtd”>

<html>

<head>

<title>”} obj.status ” ” obj.response {“</title>

</head>

<body>

<h1>Error ”} obj.status ” ” obj.response {“</h1>

<p>”} obj.response {“</p>

<h3>Guru Meditation:</h3>

<p>XID: ”} req.xid {“</p>

<hr>

<address>

<a href=”http://read.easou.com/”>read.easou.com</a>

</address>

</body>

</html>

“};

return (deliver);

}

最后这个模块定义了访问错误页面时的返回信息。

现在varnish配置基本完成，可以在8080端口上启动varnish，并进行一些基本的测试。

Varnish启动等管理工具

一般情况下，启动Varnish的命令为：

varnishd  -f /etc/varnish/default.vcl  -s malloc,2G -T 127.0.0.1:2000 -a 0.  0.0.0:8080

-f / etc/varnish/default.vcl

 

–f选项用于指定Varnishd使用的配置文件的路径。

-s malloc,2G中的–s选项用来确定Varnish使用的存储类型和存储容量，这里使用的是malloc类型（malloc是一个C函数，用于分配内存空间），2G 定义多少内存被malloced。

-T 127.0.0.1:2000是Varnish基于文本方式的一个管理接口，启动后可以在不停止Varnish的情况下来管理Varnish。管理端口2000可以指定。因为不是任何人都可以访问Varnish管理端口，所以这里推荐只监听本机端口。

-a 0.0.0.0:80中-a选项表示Varnish监听所有IP发给80端口的HTTP请求。

varnishd -n /app/soft/varnish/cache -f /app/soft/varnish/etc/varnish/vcl.conf -a 0.0.0.0:80 -s file,/app/soft/varnish/cache/varnish_cache.data,5G -u daemon -w 2,65536,60 -T 127.0.0.1:3600 -p thread_pool_min=200 -p thread_pool_max=4000 -p thread_pools=4 -p thread_pool_add_delay=2 -p listen_depth=4096 -p lru_interval=20

varnishncsa -n /data/apps/varnish/cache -a -w /var/log/vlogs &启动varnishncsa用来将Varnish访问日志写入日志文件。

-a address:port # Varnishd命令用于指定监听的地址及其端口

-b address:port #命令用于指定后台服务器地址及其端口

-d # 使用debug模式

-f file # varnishd服务器存取规则文件

-F # 在后台运行

-P file # PID文件

-p param=value # 服务器参数，用来优化性能

-s kind[,storageoptions] # 缓存内容存放方式

-s file，使用文件做为缓存，其路径、大小等

-T address:port # telnet管理地址及其端口

现在Varnish已经正常运行，以上主要解释了使用内存作为存储方式启动命令行，也是比较常用的一种方式。接下来我们来看一下有哪些常用的工具。

Varnishtop

这个工具用于读取共享内存的日志，适当使用一些过滤选项如–I，-i，-X和-x，可以连续不断地显示大部分普通日志。Varnishtop可以按照使用要求显示请求的内容、客户端、浏览器等一些其他日志里的信息。比如：

使用varnishtop -i rxurl查看客户端请求的url次数；

使用Varnishtop -i txurl查看请求后端服务器的url次数；

使用Varnishtop -i Rxheader –I Accept-Encoding查看接收到的头信息中有多少次包含

Accept-Encoding。

Varnishhist

用于读取Varnishd共享内存段的日志，并生成一个连续的柱状图。Varnishhist用于显示最后N个请求的处理情况。如果缓存命中则标记“|”，如果缓存没有命中则标记“#”符号。

Varnishsizes

Varnishsizes和Varnishhist相似，可以查看服务对象的大致大小。

Varnishstat

用于查看Varnish计数丢失率、命中率、存储信息、创建线程、删除对象等。

FAQ

Q：某些HTML页面的http头信息中常带有no-cache头，如何缓存？

A：常规的配置无法实现缓存，需要修改Varnish配置文件，要去掉http头信息中的里no-cache头，修改如下内容:

sub vcl_fetch {

if (req.url ～ ”html$”) {

set beresp.ttl = 10m;

set beresp.do_gzip = true;

unset beresp.http.Cache-Control;

unset beresp.http.Pragma;

set beresp.http.Cache-Control = ”max-age=60″;

unset beresp.http.Expires;

}

}

如果html页面带有cookie，还需要在sub vcl_recv { } 配置中添加如下内容：

sub vcl_recv {

if (req.request == ”GET” && req.url ～ ”\.(js|css|html|jpg|png|gif|swf|jpeg| ico)$”) {

unset req.http.cookie;

}

}

Q：可以在32位机器上运行Varnish吗？

A：可以，不过32位机器不支持大于2GB的文件存储，所以推荐使用64位机器。

Q：Varnish可以做正向代理吗？

A：不可以，Varnish需要配置所有后端服务器到VCL。

Q：怎样做才能在后端服务器记录客户端的IP地址？

A：这是缓存服务器常常遇到的问题。X-Forwarded-For的相关解释已经在前面讲述，只要在后面的Web服务器日志格式中加上相关参数即可。Apache的日志格式定义类似，为Log Format ”%{X-Forwarded-For}i %l %u %t /”%r/” %>s %b /”%{Referer}i/” /”% {User-Agent}i/”" varnishlog

CustomLog /var/log/apache2.log varnishlog

Q：Varnish可以加速https吗？

A：目前还不行，欲知相关信息请密切关注官方网站。

Q：可以查看Varnish缓存了哪些内容吗？

A：目前不可能，如果一个命令列出所有缓存的内容，那么缓存的内容是上千万或者更多，这样会导致因系统资源紧张而使Varnish暂停服务。

刘鑫，运维工程师，从事IT培训、技术支持、高性能网站架构等相关技术的研究工作，ChinaUnix社区集群和高可用版块资深版主。

本文节选自《高性能网站构建实战》一书，部分内容有删减。刘鑫著，由人民邮电出版社出版。