Web架构：varnish缓存代理服务器超详细剖析

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Web架构：varnish缓存代理服务器超详细剖析

2024-09-19 14:18:40 217人阅读

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-------谢谢您的参考，如有疑问，欢迎交流

varnishi简介
varnish配置组成

-------------------------------------- vcl内置预设变量

-------------------------------------- 功能语句与对象

-------------------------------------- varnish中内置子程序

-------------------------------------- varnish缓存模式和子程序的关系

varnish的安装
varnish实例配置解析
启动varnish
varnish acl配置解析

一、 Varnish简介

1. 作用

Web应用加速器，同时作为http反向缓存代理

2. 特点

Varnish可以使用内存也可以使用硬盘进行数据缓存

支持虚拟内存的使用

有精确的时间管理机制

状态引擎架构：通过特定的配置语言设计不同的语句

以二叉堆格式管理缓存数据

3. Varnish的优势

Varnish访问速度快，因为采用了“Visual Page Cache”技术，在读取数据时直接从内存中读取

Varnish支持更多的并发连接，因为varnish的TCP连接比squid快

Varnish通过管理端口，使用正则表达式批量的清除部分缓存

4. Varnish的劣势

进程一旦crash或重启，缓存的数据将从内存中完全释放

在多台varnish实现负载均衡时，每次请求都会落到不同的varnish服务器中，造成url请求可能会穿透到后端
1）劣势解决方案
A、在varnish的后端添加squid/nignx代理，这样防止了当varnish缓存被清空时，瞬间大量的请求发往web服务器
B、在负载均衡上做url哈西，让单个url请求固定请求到一台varnish服务器上

5. Varnish的组成

1） Management进程（管理进程）

对child进程进行管理，同时对vcl配置进行编译

2） Child进程（子进程）

生成线程池，负责处理用户请求

6. Varnish配置组成

l 后端配置：指定后端服务器

l ACL配置：为varnish添加访问控制列表，用于规则设置

l Probes配置：实现后端服务器的健康检查

l Directors配置：为varnish添加集群

l 核心子进程：为后端服务器、缓存、访问控制、错误处理等功能添

一、 arnish配置简介

1. vcl内置预设变量

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这些变量一般用于设置各个阶段的对象值

预设变量是系统固定的，请求进入vcl子程序后便生成，这些变量可以方便子进程进行提取或者自定义

格式一般为：阶段 .对象运算符值

1）阶段

Req：处理客户端发送的请求时使用

Bereq：处理varinish向后端服务器发送的请求时使用

Beresp：处理后端服务器响应时使用，用于varnish未缓存前

Resp：处理返回给客户端的响应时使用

Obj：处理存储在内存中的对象时使用

2）对象

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3）运算符

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2. 功能语句与对象

l 一般功能语句都用于匹配对象，就是对某个对象实现什么操作

l 格式为：功能语句（对象）

1）功能语句

ban（）：清除指定对象缓存

call（）：调用子程序

hash_data（）：生成hash键值，只能在vcl_hash子程序中使用

new（）：创建一个vcl对象，只能在vcl_init子程序中使用

return（）：结束当前子程序并执行下一步动作

rollback（）：恢复http头到原来的状态，现在使用std.rollback（）代替。

.synthetic（）：合成器，用于自定义一个响应内容，只能在vcl_synth和vcl_backend_error子程序中使用

regsub（待处理字符，正则表达式，替换为的字符）：使用正则替换第一次出现的字符串

regsuball（待处理字符，正则表达式，替换为的字符）：使用正则替换所有字符串

2）return的常用动作

语法：return（action）

abandon：放弃处理，并生成一个错误。

deliver：交付处理

fetch：从后端取出响应对象

hash：哈希缓存处理

lookup：从缓存中查找应答数据并返回，如果查找不到，则调用pass函数，从后端服务器调用数据。

ok：继续执行

pass：绕过缓存，直接向后端服务器调用数据

pipe：建立客户端和后端服务器之间的直接连接，从后端服务器调用数据

purge：清除缓存对象，构建响应

restart：重新开始

retry：重试后端处理

synth(status code,reason)：合成返回客户端状态信息

3. varnish中内置子程序

子进程也叫状态引擎，每一个状态引擎均有自己限定的返回动作 return （动作）; 不同的动作将调用对应下一个状态引擎。

我们可以把一个请求分为多个阶段，每个阶段都会调用不同的状态引擎去操作，这样，我们只要编写出相应的状态引擎，就可以控制每个请求阶段。

varnish内置子程序均有自己限定的返回动作 return （动作）; 不同的动作将调用对应下一个子程序

每个内置子程序都需要通过关键字sub进行定义

1） vcl_recv子程序

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2） vcl_pipe子程序

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3） vcl_pass子程序

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4） vc_hit子程序

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5） vcl_miss子进程

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6） vcl_hash子进程

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7） acl_purge子进程

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8） vcl_deliver子进程

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9） vcl_backend——fetch子程序

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10） vcl_backend_response子程序

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11） vcl_backend_error子程序

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12） vcl_synth子程序

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13） vcl_init子进程

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14） acl_fini子进程

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4. varnish缓存模式和子程序的关系

l varnish的配置文件，就是通过各种子程序组成的，当varnish运行时，也是通过子程序的配置进行相应的操作

l 子程序的关系如下图

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1）右上角的两个图代表：加载vcl时执行vcl_init子程序，卸载vcl时执行vcl_fini子程序

2）当vcl_recv调用 hash函数时

进入该状态后，会通过vcl_hash子程序，根据请求的url或其他信息生成hash键值,

然后查找hash键值相同的缓存数据，若找到，则进入val_hit状态，否则进入vcl_miss状态

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3）当vcl_recv调用pass 函数时

当vcl_recv调用pass 函数时，pass将当前请求直接转发到后端服务器。而后续的请求仍然通过varnish处理。

pass （varnish）通常只处理静态页面。即只在GET 和 HEAD 类型的请求中时才适合调用pass函数。另外，需要注意的一点是，pass模式不能处理POST请求，为什么呢？因为POST请求一般是发送数据给服务器，需要服务器接收数据，并处理数据，反馈数据。是动态的，不作缓存

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4）当vcl_recv判断需要调用 pipe 函数时

当vcl_recv判断需要调用 pipe 函数时，varnish会在客户端和服务器之间建立一条直接的连接，之后客户端的所有请求都直接发送给服务器，绕过varnish,不再由varnish检查请求，直到连接断开。

类型是POST时用pipe，举个例子，当客户端在请求一个视频文件时，或者一个大的文档，如.zip .tar 文件，就需要用pipe模式，这些大的文件是不被缓存在varnish中的。

5）当vcl_recv指定purge模式时

Purge模式用于清除缓存

5. 优雅模式garce mode

1) 请求合并

当几个客户端请求同一个页面的时候，varnish只发送一个请求到后端服务器，然后让其他几个请求挂起并等待返回结果

2) 问题

如果数以千计或更多的这种请求同时出现，那么这个等待队列将变得庞大，这将导致2类潜在问题：惊群问题(thundering herd problem)，即突然释放大量的线程去复制后端返回的结果，将导致负载急速上升；没有用户喜欢等待；

3) 解决问题

配置varnish在缓存对象因超时失效后再保留一段时间，以给那些等待的请求返回过去的文件内容(stale content)。

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案例：
Sub vcl_recv {
If (! req.backend.healthy) { 判断如果不健康
set req.grace = 5m;varnish向前端提供5分钟的过期内容
}
else { 如果健康
set req.grace = 15s;varnish向前段提供15秒的过期内容
}
}

sub vcl_fetch {
set beresp.grace = 30m;将失效的缓存对象再多保留30分钟
}

三、 varnish的安装

1. 下载varnish压缩包

有两个地方可下载

1）通过Varnish的官方网址http://varnish-cache.org，可以在这里下载最新版本的软件。

但是有时候varnish的官网会被墙

2） GIT下载：git clone https://github.com/varnish/Varnish-Cache/var/tmp/

但是在安装时需要先使用./autogen.sh生成configure编译配置文件

2. Varnish的安装

首先安装依赖包

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配置varnish

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编译并安装

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拷贝vcl文件

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官方提供的vcl配置文件没有提示太多的配置信息，在生产环境中还是需要自己进行配置

四、 Varnish VCL实例配置解析

拓扑环境

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五、启动varnish

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六、 varnish vcl配置解析

Varnish有自己的编程语法vcl，varnish启动时，会将配置文件编译为C语言，然后再执行

1. 后端服务器地址池配置及后端服务器健康检查

1）后端服务器定义，用于varnish连接指定的后端服务器

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例：将监控块定义在后端服务器中
    backend web{
        .host="192.168.31.83";指定后端服务器的IP
        .port="80";后端服务器的暴露端口
        .probe={    直接追加监控块.probe是一个的参数
            .url="/";
            .timeout=2s;
         }
     }
或：先定义监控块，在定义后端服务器列表
    probe web_probe{    监控必需定义在前面，否则后端调用找不到监控块。
        .url="/";
        .timeout=2s;
    }

    backend web{
        .host="192.168.31.83";
        .port="80";
        .probe=web_probe;   调用外部共用监控块
    }

2）监视器定义

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例：创建健康监测，定义健康检查名称为backend_healthcheck
    probe backend_healthcheck {   创建名为backend_healthcheck的健康检查
       .url = "/";监控入口地址为/的
       .timeout = 1s;请求超时时间
       .interval = 5s;每次轮询间隔5秒
       .window = 5;轮询5次
       .threshold = 3;必须有3次轮询正常才算该节点正常
    }

3）负载均衡群集directors

负载均衡群集需要directors模块的支持，import directors

Directors负载均衡支持的算法：

使用random，hash 必须配置权重值，用于提高随机率

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例：

    加载directors模块
    import directors;

    配置后端服务器
    backend web1 {
        .host = "192.168.0.10";
        .port = "80";
        .probe = backend_healthcheck;
    }
    backend web2 {
    .host = "192.168.0.11";
    .port = "80";
    .probe = backend_healthcheck;
    }

    初始化处理
    sub vcl_init {
    调用vcl_init初始化子程序创建后端主机组，即directors
        new  web_cluster =directors.round_robin();
        使用new关键字创建drector对象,使用round_robin算法
        web_cluster.add_backend(web1);
        添加后端服务器节点
        web_cluster.add_backend(web2);
    }

    开始处理请求
    sub vcl_recv {
    调用vcl_recv子程序，用于接收和处理请求
        set req.backend_hint = web_cluster.backend();
        选取后端
    }

说明：

set命令是设置变量

unset命令是删除变量

web_cluster.add_backend(backend , real ); 添加后端服务器节点，backend 为后端配置别名，real 为权重值，随机率计算公式：100 * (当前权重 / 总权重)。

req.backend_hint是varnish的预定义变量，作用是指定请求后端节点

vcl对象需要使用new关键字创建，所有可创建对象都是内定的，使用前必需import，所有new操作只能在vcl_init子程序中。

2. 访问控制列表（acl）

创建一个地址列表，用于后面的判断

如果列表中包含了无法解析的主机地址，它会匹配任何地址。

不想匹配的IP，在前面加个！即可

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3. 缓存规则设置

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说明：

X-Forwarded-For 是用来识别通过HTTP代理或负载均衡方式连接到Web服务器的客户端最原始的IP地址的HTTP请求头字段

要想后端服务器记载客户端的真实IP，只在varnish中设置不行，还需要修改后端web服务器的配置（这里是apache做后端web服务器）：

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修改框中的变量，指定为varnish中设置的变量

七、 varnish将不同的url发送到不同的后端server

AutoIt Code

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import directors;   # load the directors
backend web1 {
.host = "192.168.0.10";
.port = "80";
.probe = backend_healthcheck;
}
backend web2 {
.host = "192.168.0.11";
.port = "80";
.probe = backend_healthcheck;
}
定义后端服务器web1和web2

backend img1 {
    .host = "img1.lnmmp.com";
    .port = "80";
    .probe = backend_healthcheck;
}
backend img2 {
    .host = "img2.lnmmp.com";
    .port = "80";
    .probe = backend_healthcheck;
}
定义后端服务器img1和img2

//初始化处理
sub vcl_init {
//调用vcl_init初始化子程序创建后端主机组，即directors
    new  web_cluster = directors.round_robin();
    //使用new关键字创建drector对象,使用round_robin算法
      web_cluster.add_backend(web1);
      //添加后端服务器节点
      web_cluster.add_backend(web2);
    new img_cluster = directors.random();
    //创建第二个集群
      img_cluster.add_backend(img1,2);
      添加后端服务器节点，并且设置权重值
      img_cluster.add_backend(img2,5);
}

//根据不同的访问域名，分发至不同的后端主机组
sub vcl_recv {
   if (req.http.host  ~  "(?i)^(www.)?benet.com$") {
       如果请求头为www.benet.com或benet.com
         set  req.http.host = "www.benet.com";
         set  req.backend_hint = web_cluster.backend();  //选取后端
   }
   elsif (req.http.host  ~  "(?i)^images.benet.com$") {
        set  req.backend_hint = img_cluster.backend();
    }
}
说明：中的i就是忽略大小写的意思。(?i)表示开启忽略大小写，而(?-i)表示关闭忽略大小写

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