高性能 Nginx HTTPS 调优 - 如何为 HTTPS 提速 30%

Nginx 常作为最常见的服务器，常被用作负载均衡 (Load Balancer)、反向代理 (Reverse Proxy)，以及网关 (Gateway) 等等。一个配置得当的 Nginx 服务器单机应该可以期望承受住 50K 到 80K 左右^[1]每秒的请求，同时将 CPU 负载在可控范围内。

但在很多时候，负载并不是需要首要优化的重点。比如对于卡拉搜索来说，我们希望用户在每次击键的时候，可以体验即时搜索的感觉，也就是说，每个搜索请求必须在 100ms - 200ms 的时间内端对端地返回给用户，才能让用户搜索时没有“卡顿”和“加载”。因此，对于我们来说，优化请求延迟才是最重要的优化方向。

这篇文章中，我们先介绍 Nginx 中的 TLS 设置有哪些与请求延迟可能相关，如何调整才能最大化加速。然后我们用优化卡拉搜索^[2] Nginx 服务器的实例来分享如何调整 Nginx TLS/SSL 设置，为首次搜索的用户提速 30% 左右。我们会详细讨论每一步我们做了一些什么优化，优化的动机和效果。希望可以对其它遇到类似问题的同学提供帮助。

照例，本文的 Nginx 设置文件放置于 github，欢迎直接使用: 高性能 Nginx HTTPS 调优^[3]

https://github.com/Kalasearch/high-performance-nginx-tls-tuning

TLS 握手和延迟

很多时候开发者会认为：如果不是绝对在意性能，那么了解底层和更细节的优化没有必要。这句话在很多时候是恰当的，因为很多时候复杂的底层逻辑必须包起来，才能让更高层的应用开发复杂度可控。比如说，如果你就只需要开发一个 APP 或者网站，可能并没有必要关注汇编细节，关注编译器如何优化你的代码——毕竟在苹果或者安卓上很多优化在底层就做好了。

那么，了解底层的 TLS 和应用层的 Nginx 延迟优化有什么关系呢？

答案是多数情况下，优化网络延迟其实是在尝试减少用户和服务器之间的数据传输次数，也就是所谓的 roundtrip。由于物理限制，北京到云南的光速传播差不多就是要跑 20 来毫秒，如果你不小心让数据必须多次往返于北京和云南之间，那么必然延迟就上去了。

因此如果你需要优化请求延迟，那么了解一点底层网络的上下文则会大有裨益，很多时候甚至是你是否可以轻松理解一个优化的关键。本文中我们不深入讨论太多 TCP 或者 TLS 机制的细节，如果有兴趣的话请参考 High Performance Browser Networking^[4] 一书，可以免费阅读。

举个例子，下图中展示了如果你的服务启用了 HTTPS，在开始传输任何数据之前的数据传输情况。

可以看到，在你的用户拿到他需要的数据前，底层的数据包就已经在用户和你的服务器之间跑了 3 个来回。

假设每次来回需要 28 毫秒的话，用户已经等了 224 毫秒之后才开始接收数据。

同时这个 28 毫秒其实是非常乐观的假设，在国内电信、联通和移动以及各种复杂的网络状况下，用户与服务器之间的延迟更不可控。另一方面，通常一个网页需要数十个请求，这些请求不一定可以全部并行，因此几十乘以 224 毫秒，页面打开可能就是数秒之后了。

所以，原则上如果可能的话，我们需要尽量减少用户和服务器之间的往返程 (roundtrip)，在下文的设置中，对于每个设置我们会讨论为什么这个设置有可能帮助减少往返程。

Nginx 中的 TLS 设置

那么在 Nginx 设置中，怎样调整参数会减少延迟呢？

开启 HTTP/2

HTTP/2 标准是从 Google 的 SPDY 上进行的改进，比起 HTTP 1.1 提升了不少性能，尤其是需要并行多个请求的时候可以显着减少延迟。在现在的网络上，一个网页平均需要请求几十次，而在 HTTP 1.1 时代浏览器能做的就是多开几个连接（通常是 6 个）进行并行请求，而 HTTP 2 中可以在一个连接中进行并行请求。HTTP 2 原生支持多个并行请求，因此大大减少了顺序执行的请求的往返程，可以首要考虑开启。

如果你想自己看一下 HTTP 1.1 和 HTTP 2.0 的速度差异，可以试一下：https://www.httpvshttps.com/。我的网络测试下来 HTTP/2 比 HTTP 1.1 快了 66%。

在 Nginx 中开启 HTTP 2.0 非常简单，只需要增加一个 http2 标志即可

listen 443 ssl;

# 改为
listen 443 ssl http2;

如果你担心你的用户用的是旧的客户端，比如 Python 的 requests，暂时还不支持 HTTP 2 的话，那么其实不用担心。如果用户的客户端不支持 HTTP 2，那么连接会自动降级为 HTTP 1.1，保持了后向兼容。因此，所有使用旧 Client 的用户，仍然不受影响，而新的客户端则可以享受 HTTP/2 的新特性。

如何确认你的网站或者 API 开启了 HTTP 2

在 Chrome 中打开开发者工具，点开 Protocol 之后在所有的请求中都可以看到请求用的协议了。如果 protocol 这列的值是 h2 的话，那么用的就是 HTTP 2 了

当然另一个办法是直接用 curl 如果返回的 status 前有 HTTP/2 的话自然也就是 HTTP/2 开启了。

➜  ~ 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

调整 Cipher 优先级

尽量挑选更新更快的 Cipher，有助于减少延迟^[5]:

# 手动启用 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';

启用 OCSP Stapling

在国内这可能是对使用 Let's Encrypt 证书的服务或网站影响最大的延迟优化了。如果不启用 OCSP Stapling 的话，在用户连接你的服务器的时候，有时候需要去验证证书。而因为一些不可知的原因（这个就不说穿了）Let's Encrypt 的验证服务器并不是非常通畅^[6]，因此可以造成有时候数秒甚至十几秒延迟的问题^[7]，这个问题在 iOS 设备上特别严重

解决这个问题的方法有两个：

1. 不使用 Let's Encrypt，可以尝试替换为阿里云提供的免费 DV 证书
2. 开启 OCSP Stapling

开启了 OCSP Stapling 的话，跑到证书验证这一步可以省略掉。省掉一个 roundtrip，特别是网络状况不可控的 roundtrip，可能可以将你的延迟大大减少。

在 Nginx 中启用 OCSP Stapling 也非常简单，只需要设置：

ssl_stapling on;
ssl_stapling_verify on;
ssl_trusted_certificate /path/to/full_chain.pem;

如何检测 OCSP Stapling 是否已经开启？

可以通过以下命令

openssl s_client -connect test.kalasearch.cn:443 -servername kalasearch.cn -status -tlsextdebug < /dev/null 2>&1 | grep -i "OCSP response"

来测试。如果结果为

OCSP response:
OCSP Response Data:
    OCSP Response Status: successful (0x0)
    Response Type: Basic OCSP Response

则表明已经开启。参考 HTTPS 在 iPhone 上慢的问题^[8] 一文。

调整 ssl_buffer_size

ssl_buffer_size 控制在发送数据时的 buffer 大小，默认设置是 16k。这个值越小，则延迟越小，而添加的报头之类会使 overhead 会变大，反之则延迟越大，overhead 越小。

因此如果你的服务是 REST API^[9] 或者网站的话，将这个值调小可以减小延迟和 TTFB，但如果你的服务器是用来传输大文件的，那么可以维持 16k。关于这个值的讨论和更通用的 TLS Record Size 的讨论，可以参考：Best value for nginx's ssl*buffer*size option^[10]

如果是网站或者 REST API，建议值为 4k，但是这个值的最佳取值显然会因为数据的不同而不一样，因此请尝试 2 - 16k 间不同的值。在 Nginx 中调整这个值也非常容易

ssl_buffer_size 4k;

启用 SSL Session 缓存

启用 SSL Session 缓存可以大大减少 TLS 的反复验证，减少 TLS 握手的 roundtrip。虽然 session 缓存会占用一定内存，但是用 1M 的内存就可以缓存 4000 个连接，可以说是非常非常划算的。同时，对于绝大多数网站和服务，要达到 4000 个同时连接本身就需要非常非常大的用户基数，因此可以放心开启。

这里 ssl_session_cache 设置为使用 50M 内存，以及 4 小时的连接超时关闭时间 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;

卡拉搜索如何减少 30% 的请求延迟

卡拉搜索是国内的 Algolia^[11]，致力于帮助开发者快速搭建即时搜索功能(instant search)，做国内最快最易用的搜索即服务。

开发者接入后，所有搜索请求通过卡拉 API 即可直接返回给终端用户。为了让用户有即时搜索的体验，我们需要在用户每次击键后极短的时间内（通常是 100ms 到 200ms）将结果返回给用户。因此每次搜索需要可以达到 50 毫秒以内的引擎处理时间和 200 毫秒以内的端对端时间。

我们用豆瓣电影的数据做了一个电影搜索的 Demo，如果感兴趣的话欢迎体验一下即时搜索，尝试一下搜索“无间道”或者“大话西游”体验一下速度和相关度：https://movies-demo.kalasearch.cn/

对于每个请求只有 100 到 200 毫秒的延迟预算，我们必须把每一步的延迟都考虑在内。

简化一下，每个搜索请求需要经历的延迟有

总延迟 = 用户请求到达服务器(T1) + 反代处理(Nginx T2) + 数据中心延迟(T3) + 服务器处理 (卡拉引擎 T4) + 用户请求返回(T3+T1)

在上述延迟中，T1 只与用户与服务器的物理距离相关，而 T3 非常小（参考Jeff Dean Number^[12])可以忽略不计。

所以我们能控制的大致只有 T2 和 T4，即 Nginx 服务器的处理时间和卡拉的引擎处理时间。

Nginx 在这里作为反向代理，处理一些安全、流量控制和 TLS 的逻辑，而卡拉的引擎则是一个在 Lucene 基础上的倒排引擎。

我们首先考虑的第一个可能性是：延迟是不是来自卡拉引擎呢？

在下图展示的 Grafana 仪表盘^[13]中，我们看到除了几个时不时的慢查询，搜索的 95% 服务器处理延迟小于 20 毫秒。对比同样的数据集上 benchmark 的 Elastic Search 引擎的 P95 搜索延迟则在 200 毫秒左右，所以排除了引擎速度慢的可能。

而在阿里云监控中，我们设置了从全国各地向卡拉服务器发送搜索请求。我们终于发现 SSL 处理时间时常会超过 300 毫秒，也就是说在 T2 这一步，光处理 TLS 握手之类的事情，Nginx 已经用掉了我们所有的请求时间预算。

同时检查之后我们发现，在苹果设备上搜索速度格外慢，特别是第一次访问的设备。因此我们大致判断应该是因为我们使用的 Let's Encrypt 证书的问题。

我们按照上文中的步骤对 Nginx 设置进行了调整，并将步骤总结出来写了这篇文章。在调整了 Nginx TLS 的设置后，SSL 时间从平均的 140ms 降低到了 110ms 左右（全国所有省份联通和移动测试点），同时苹果设备上首次访问慢的问题也消失了。

在调整过后，全国范围内测试的搜索延迟降低到了 150 毫秒左右。

总结

调整 Nginx 中的 TLS 设置对于使用 HTTPS 的服务和网站延迟有非常大的影响。本文中总结了 Nginx 中与 TLS 相关的设置，详细讨论各个设置可能对延迟的影响，并给出了调整建议。之后我们会继续讨论 HTTP/2 对比 HTTP 1.x 有哪些具体改进，以及在 REST API 使用 HTTP/2 有哪些优缺点，请继续关注。

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