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部署Varnish缓存搭理服务器

博文大纲：
一、Varnish概述
1.Varnish简介
2.Varnish和squid的区别
3.Varnish的工作原理
4.Varnish架构
5.Varnish配置
6.VCL中内置预设变量
7.VCL的子程序
8.特定功能语句
9.return语句
10.Varnish请求处理的步骤
11.Varnish的优雅模式
二、安装Varnish
1.客户端访问测试缓存
2.服务端测试清除缓存
3.配置http服务器的访问获取客户端的IP地址

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一、Varnish概述

1.Varnish简介

Varnish是一款高性能且开源的反向代理服务器和HTTP加速器，其采用全新的软件体系机构，和现在的硬件体系紧密配合。与传统的squid相比，Varnish具有高性能、速度快、管理更加方便等优点，目前很多大型的网站都开始尝试使用Varnish来代替squid，这便是Varnish迅速发展的最根本的原因。

Varnish的主要特征：

  • （1）缓存代理位置：可以使用内存也可以使用磁盘；
  • （2）日志存储：日志存储在内存中；
  • （3）支持虚拟内存的使用；
  • （4）有精确的时间管理机制，即缓存的时间属性控制；
  • （5）状态引擎架构：在不同的引擎上完成对不同的缓存和代理数据进行处理；
  • （6）缓存管理：以二叉堆管理缓存数据，做到数据的及时清理；

2.Varnish和squid的区别

相同点：

  • 都是一个反向代理服务器；
  • 都是开源软件；

Varnish的优势：

  • （1）稳定性：Varnish和Squid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，因为使用Squid需要经常重启；
  • （2）访问速度更快：Varnish所有缓存的数据都是直接从内存中读取，而Squid是从硬盘中读取；
  • （3）支持更多的并发连接：因为Varnish的TCP连接和释放的速度比Squid快很多

Varnish的缺陷：

  • （1）Varnish进程一旦重启，缓存数据都会从内存中完全释放，此时所有请求都会发送到后端服务器，在高并发情况下，会给后端服务器造成很大压力；
  • （2）在Varnish使用中如果使用单个URL的请求通过负载均衡时，则每次请求都会落在不同的Varnish服务器中，造成请求都会到后端服务器；而且同样的秦桂在多台服务器上缓存，也会造成Varnish的缓存资源的浪费，造成性能下降；

Varnish缺陷的解决方案：

  • 针对缺陷（1）：在访问量很大的情况下推荐使用Varnish的内存缓存方式启动，而且后面需要跟多台Nginx服务器（作为反向代理）。主要防止Varnish服务器重启的情况下，大量的请求到达后端服务器；这样Nginx就是第二道缓存代理服务器。防止请求过多时给后端服务器造成较大的压力；
  • 针对缺陷（2）：可以在负载均衡上做URL哈希，让单个URL请求固定到一台Varnish服务器上；

3.Varnish的工作原理

当Varnish服务器收到客户端的请求时，首选检查缓存中是否有数据，如果有，则直接响应客户端；如果没有则向后端服务器请求相应的资源，缓存到Varnish服务器本地，再响应客户端；

根据规则和请求页面的类型选择数据是否需要进行缓存，可以根据请求头中Cache-Contorl判断是否缓存，以及cookis是否有标记，这些功能都可以通过编写配置文件的方式来实现。

4.Varnish架构

Varnish分为management进程和child进程：

  • management进程：对child进程进行管理，同事对VCL配置进行编译，并应用到不同的状态引擎中；
  • child进程：生成线程池，负责对用户请求进行处理，并通过hash查找返回用户结果；

child进程生成的常见线程有：

  • accept线程：接收新的连接请求并响应；
  • worker线程：会话，处理请求资源；
  • expiry线程：清除缓存中过期的内容；

5.Varnish配置

Varnish主要配置部分：

  • 后端配置：给Varnish添加反向代理服务器节点，最少配置一个；
  • ACL配置：给Varnish添加访问控制列表，可以指定这些列表访问或禁止访问；
  • probes配置：给Varnish添加探测后端服务器是否正常的规则，方便切换或禁止对应后端服务器；
  • directors配置：给Varnish添加负载均衡模式管理多个后端服务器；
  • 核心子程序配置：给Varnish添加后端服务器切换，请求缓存、访问控制、错误处理等规则；

6.VCL中内置预设变量

如图：
部署Varnish缓存搭理服务器

  • req：客户端请求Varnish服务器时可用的变量；
  • bereq：Varnish服务器请求后端服务器可用的变量；
  • beresp：后端服务器响应Varnish服务器请求，并返回结果时，使用的变量；
  • resp：Varnish服务器响应客户端请求是使用的变量；
  • obj：高速缓存对象，缓存后端响应请求内容；
  • now：作用就是返回当前的时间戳；

7.VCL的子程序

客户端基本信息：

  • Client ip：返回客户端的IP地址；
  • Client port：获取客户端请求的端口号（需调用std）；
  • Client.identiy：获取客户端标识码；

服务端基本信息：

  • Server.hostname：服务器主机名；
  • Server.identiy：获取服务器标识码；
  • Server.ip：获取服务器IP地址；
  • Server.prot：获取服务器IP端口号（需调用std模块）；

客户端请求（req） ：

  • Req：整个请求的数据结构；
  • req.bachend_hint：指定请求后端节点 如gif 给图片服务器 （hint暗示）当访问时gif时 设置客户端的请求req.bachend_hint=图片服务器地址；
  • Req.can_gzip：客户端是否接受gzip传输编码；
  • req.hash_always_miss：是否从缓存中读取数据；
  • req.hash_ignore_busy： 忽略缓存中忙碌的数据；
  • req.http：对应请求http的header；
  • req.method ：请求类型或者请求的方式；
  • req.proto：客户端请求使用的http协议的版本；
  • req.restarts：重新启动次数，默认最大值是4（通常用于判断是否访问过服务器）；
  • req.url：请求的url；
  • req.xid：请求的唯一ID号；

varnish请求后端服务器（bereq）：

  • bereq：整个后端请求的数据结构；
  • bereq.backend：所请求后端节点的配置；
  • bereq.between_bytes_timeout：从后端每接收一个字节之间的等待时间或者超时时间；
  • bereq.http：对应发送到后端的http的头部信息；
  • bereq.method： 发送到后端的请求类型或者请求方式；
  • bereq.proto：发送到后端的请求的http协议版本；
  • bereq.retires：相同请求重试计数；
  • bereq.uncacheable：请求数据没有被缓存，或者请求不缓存；
  • bereq.url：发送到后端请求的url；
  • bereq.xid：请求唯一id；

后端服务器向varnish（beresq）：

  • Beresp：后端服务器响应数据；
  • Beresp.backend.ip：后端响应（处理请求数据）服务器的IP地址；
  • Beresp.backend.name：后端响应服务器的节点名；
  • Beresp.do_gunzip：默认为false，缓存前解压改对象；
  • Beresp.grace：设置缓存过期的额外宽限时间；
  • Beresp.http：响应时http的头部；
  • Beresp.keep：对象缓存后带保持时间；
  • Beresp.proto：响应的http版本；
  • Beresp.reason ：后端服务器返回的http状态信息；
  • Beresp.status：后端服务器返回的在状态码；
  • Beresp.storage_hint：指定保存的的特定存储器（内存）；
  • Beresp.ttl：改对象缓存的剩余时间，指定统一缓存剩余时间；
  • Beresp,uncacheable：对数据不进行缓存；

高速缓存对象（obj）：

  • obj.grace：该对象额外宽限时间；
  • obj.hits：缓存命中次数，一般可以用于判断是否有缓存；
  • obj.http：对应 HTTP 的 header；
  • obj.proto：HTTP版本；
  • obj.reason：服务器返回的 HTTP 状态；
  • obj.status：服务器返回的状态码；
  • obj.ttl：该对象缓存剩余时间（秒）；
  • obj.uncacheable：不缓存；

返回给客户端的响应对象（resp）：

  • resp：整个响应 数据结构；
  • resp.http：对应 HTTP 的 header；
  • resp.proto：编辑响应的 HTTP 协议版本；
  • resp.reason：将要返回的 HTTP 状态信息；
  • resq.status：将要返回的 HTTP 状态；

8.特定功能语句

  • Ban（expression）：清除指定对象缓存；
  • Call(subroutine)：调用子程序；
  • Hash_data（input）：根据input的子程序的值生成hash键；
  • New（）：创建新的vcl对象，只能在vcl_init 子进程中；
  • Return（）：结束当前子程序，并指定继续下一步动作；
  • Rollback()：恢复 HTTP 头到原来状态，已经弃用，使用 std.rollback() 代替；
  • Synthetic （STRING）：合成器，定义返回给客户端页面和状态码；
  • Regsub（str，regex，sub）使用正则表达式替换第一次出现的字符串；
  • Regsuball（str，regex,sub）替换所有出现的字符串；

9.return语句

return 语句是终止子程序并返回动作，所有动作都根据不同的 vcl 子程序限定来选用的。

语法：return （action）；

常用的选项：

  • 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：查找缓存；
  • ok：继续执行；
  • pass：进入 pass 非缓存模式；
  • pipe：进入 pipe 非缓存模式；
  • 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；

10.Varnish请求处理的步骤

如图：
部署Varnish缓存搭理服务器

VCL处理过程大致分为如下几个步骤:
(1)Receive 状态,也就是请求处理的入口状态,根据 VCL 规则判断该请求应该是 Pass 或Pipe,或者进入 Lookup(本地查询)；
(2)Lookup 状态,进入此状态后,会在 hash 表中查找数据,若找到,则进入 Hit 状态,否则进入 miss 状态；
(3)Pass 状态,在此状态下,会进入后端请求,即进入 fetch 状态；
(4)Fetch 状态,在 Fetch 状态下,对请求进行后端的获取,发送请求,获得数据,并进行本地存储；
(5)Deliver 状态, 将获取到的数据发送给客户端,然后完成本次请求；

11.Varnish的优雅模式

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；获得结果后，其它请求再复制后端的结果发送给客户端；但如果同时有数以千计的请求，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；

故为了解决这类问题，可以配置 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)，配置案例如下：

sub vcl_recv {
 if (! req.backend.healthy) {   #判断后端服务器的健康状态
 set req.grace = 5m;    #如果后端服务器不健康，客户端额外缓存15分钟
}else {
 set req.grace = 15s; }  #正常额外缓存时间15秒
}
sub vcl_fetch { 
set beresp.grace = 30m;  #定义缓存过期后额外缓存时间30分钟
}

二、安装Varnish

获取Varnish软件包

[root@localhost ~]# yum -y install autoconf automake libedit-devel libtool ncurses-devel pcre-devel  pkgconfig python-docutils python-sphinx
//安装Varnish所需依赖
[root@localhost ~]# tar zxf varnish-4.0.3.tar.gz  -C /usr/src
[root@localhost ~]# cd /usr/src/varnish-4.0.3/
[root@localhost varnish-4.0.3]# ./configure && make && make install              //编译安装Varnish
[root@localhost ~]# cp /usr/src/varnish-4.0.3/etc/example.vcl /usr/local/var/varnish/
//复制Varnish主配置文件
[root@localhost ~]# vim /usr/local/var/varnish/example.vcl             //编译Varnish主配置文件
#
# This is an example VCL file for Varnish.
#
# It does not do anything by default, delegating control to the
# builtin VCL. The builtin VCL is called when there is no explicit
# return statement.
#
# See the VCL chapters in the Users Guide at https://www.varnish-cache.org/docs/
# and http://varnish-cache.org/trac/wiki/VCLExamples for more examples.

# Marker to tell the VCL compiler that this VCL has been adapted to the
# new 4.0 format.
vcl 4.0;
import directors;
import std;
# Default backend definition. Set this to point to your content server.
probe backend_healthcheck {
        .url="/"; #访问后端服务器根路径
        .interval = 5s;   #请求时间间隔
        .timeout = 1s;   #请求超时时间
        .window = 5;    #指定轮询次数5次
        .threshold = 3;   #如果出现3次失败则表示后端服务器异常
}
backend web1 {    #定义后端服务器
        .host = "192.168.1.7";  #要转向主机（即后端主机）的 IP 或域名
        .port = "80";  #指定后端服务器的端口号
        .probe = backend_healthcheck;  #健康检查调用backend_healthcheck定义的内容
}
backend web2 {
        .host = "192.168.1.8";
        .port = "80";
        .probe = backend_healthcheck;
}
acl purgers { #定义访问控制列表
        "127.0.0.1";
        "localhost";
        "192.168.1.0/24";
        !"192.168.1.8";
}
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(轮询) 算法
        web_cluster.add_backend(web1);   #添加后端服务器节点
        web_cluster.add_backend(web2);
}
sub vcl_recv {
        set req.backend_hint = web_cluster.backend(); #指定请求的后端节点web_cluster定义的后端节点
        if (req.method == "PURGE") {   #判断客户端的请求头部是否是PURGE
                if (!client.ip ~ purgers) {   #如果是，再判断客户端的IP地址是不是在ACL访问控制列表中.
                        return (synth(405, "Not Allowed."));  #如果不是，返回给客户端405状态码并且返回定义的页面.
        }
        return (purge);   #如果是ACL定义的，则交给purge处理.
}
if (req.method != "GET" &&
        req.method != "HEAD" &&
        req.method != "PUT" &&
        req.method != "POST" &&
        req.method != "TRACE" &&
        req.method != "OPTIONS" &&
        req.method != "PATCH" &&
        req.method != "DELETE") {      #判断客户端的请求类型
                return (pipe);
        }
if (req.method != "GET" && req.method != "HEAD") {
        return (pass);      #如果不是GET及HEAD则交给pass.
}
if (req.url ~ "\.(php|asp|aspx|jsp|do|ashx|shtml)($|\?)") {
        return (pass);   #当客户端访问的是.php等结尾的交给pass处理.
}
if (req.http.Accept-Encoding) {
        if  (req.url  ~ "\.(bmp|png|gif|jpg|jpeg|ico|gz|tgz|bz2|tbz|zip|rar|mp3|mp4|ogg|swf|flv)$") {
        unset req.http.Accept-Encoding;   #取消客户端接收的压缩类型
        } elseif (req.http.Accept-Encoding ~ "gzip") {
                set req.http.Accept-Encoding = "gzip";  #如果有gzip类型，标记gzip类型.
        } elseif (req.http.Accept-Encoding ~ "deflate") {
                set req.http.Accept-Encoding = "deflate";
        } else {
        unset req.http.Accept-Encoding;  #其他未定义的页面也取消客户但接收的压缩类型.
        }
     }
if  (req.url  ~ "\.(css|js|html|htm|bmp|png|gif|jpg|jpeg|ico|gz|tgz|bz2|tbz|zip|rar|mp3|mp4|ogg|swf|flv)($|\?)") {
        unset req.http.cookie;  #取消客户端的cookie值.
        return (hash);    #将请求转发给hash子程序，也就是查看本地缓存.
}
if (req.restarts == 0) {  #判断客户端是不是第一次请求
        if (req.http.X-Forwarded-For) {     #如果是第一次请求，设置获取客户端的IP地址.
                set req.http.X-Forwarded-For = req.http.X-Forwarded-For + ", " + client.ip;
        } else {
       set req.http.X-Forwarded-For = client.ip;
        }
}
return (hash);
}
sub vcl_hash {
        hash_data(req.url);   #查看客户端请求的页面，并且进行hash
        if (req.http.host) {
                hash_data(req.http.host);  #设置客户端的主机
        } else {
                hash_data(server.ip);    #设置服务器的IP
        }
        return (lookup);
}
sub vcl_hit {
        if (req.method == "PURGE") {   #如果是HIT并且当客户端请求的类型是PURGE返回的200的状态码，并返回相应页面.
                return (synth(200, "Purged."));
        }
        return (deliver);
}
sub vcl_miss {
    if (req.method == "PURGE") {
                return (synth(404, "Purged."));   #如果是miss返回404
        }
        return (fetch);
}
sub vcl_deliver {
        if (obj.hits > 0) {
                set resp.http.CXK = "HIT-from-varnish"; #设置http头部X-Cache =hit
                set resp.http.X-Cache-Hits = obj.hits;  #返回命令的次数
        } else {
        set resp.http.X-Cache = "MISS";
        }
        unset resp.http.X-Powered-By;  #取消显示web版本
        unset resp.http.Server;    #取消显示varnish服务
        unset resp.http.X-Drupal-Cache;   #取消显示缓存的框架
        unset resp.http.Via;    #取消显示文件内容来源
        unset resp.http.Link;  #取消显示HTML的超链接地址
        unset resp.http.X-Varnish;  #取消显示varnish的id
        set resp.http.xx_restarts_count = req.restarts;   #设置客户端请求的次数
        set resp.http.xx_Age = resp.http.Age;   #显示缓存文件的时长
        #set resp.http.hit_count = obj.hits;   #显示缓存命中的次数
        #unset resp.http.Age;
        return (deliver);
}
sub vcl_pass {
        return (fetch);   #将后端服务器返回的数据缓存到本地
}
sub vcl_backend_response {
        set beresp.grace = 5m;   #缓存额外宽限时间
        if (beresp.status == 499 || beresp.status == 404 || beresp.status == 502) {
                set beresp.uncacheable = true;   #当后端服务器相应状态码是449等，不缓存
        }
        if (bereq.url ~ "\.(php|jsp)(\?|$)") {
                set beresp.uncacheable = true;  #当是PHP的页面不缓存
        } else {
                if (bereq.url ~ "\.(css|js|html|htm|bmp|png|gif|jpg|jpeg|ico)($|\?)") {
                set beresp.ttl = 15m;  #当是上面结尾的，缓存15分钟
                unset beresp.http.Set-Cookie;
                } elseif (bereq.url ~ "\.(gz|tgz|bz2|tbz|zip|rar|mp3|mp4|ogg|swf|flv)($|\?)") {
                        set beresp.ttl = 30m; #缓存30分钟
                        unset beresp.http.Set-Cookie;
                } else {
                        set beresp.ttl = 10m;  #生存时间10分钟
                        unset beresp.http.Set-Cookie;
                }
        }
        return (deliver);
}
sub vcl_purge {
        return (synth(200,"success"));
}
sub vcl_backend_error {
        if (beresp.status == 500 ||
                beresp.status == 501 ||
                beresp.status == 502 ||
                beresp.status == 503 ||
                beresp.status == 504) {
                return (retry);  #如果状态码是上述其中之一，则重新请求
        }
}
sub vcl_fini {
        return (ok);
}
[root@localhost ~]# varnishd -f /usr/local/var/varnish/example.vcl -s malloc,200M -a 0.0.0.0:80
//启动varnish服务
//-f指定配置文件存放位置；-s指定启动时使用的内存大小；-a指定监听的地址与端口
[root@localhost ~]# netstat -anpt | grep 80
tcp        0      0 0.0.0.0:80              0.0.0.0:*               LISTEN      10508/varnishd  
//确定80端口已经在监听

自行搭建两台http服务器（访问页面建议不要一样）！

1.客户端访问测试缓存

首次访问：
部署Varnish缓存搭理服务器
按F5刷新后的结果：
部署Varnish缓存搭理服务器

2.服务端测试清除缓存

注意：测试时清除缓存！

web服务器（192.168.1.7）

[root@localhost ~]# curl -X "PURGE" 192.168.1.6
//指定192.168.1.6的缓存服务器，清除缓存

测试访问如下：
部署Varnish缓存搭理服务器

web服务器（192.168.1.8）

[root@localhost ~]# curl -X "PURGE" 192.168.1.6
//指定192.168.1.6的缓存服务器，清除缓存

测试访问如下：
部署Varnish缓存搭理服务器

测试完成！

3.配置http服务器的访问获取客户端的IP地址

如果不配置的情况下，http服务器只会记录Varnish服务器的IP地址，上面Varnish配置文件中已经配置完成。那么httpd的配置如下：

[root@localhost ~]# vim /etc/httpd/conf/httpd.conf               //修改http主配置文件
196     LogFormat "%h %l %u %t \"%r\" %>s %b \"%{Referer}i\" \"%{User-Agent}i\"" combined
197     LogFormat "%h %l %u %t \"%r\" %>s %b" common
//添加以下内容，使http服务可以截取到客户端的IP地址
198     LogFormat "%{X-Forwarded-For}i %h %l %u %t \"%r\" %>s %b \"%{Referer}i\" \"%{User-    Agent}i\"" combined
//X-Forwarded-For参数已经在Varnish配置文件中定义
[root@localhost ~]# systemctl restart httpd                //重新启动http服务

两台http服务器都需配置（防止时间过长切换到另一台服务器）。

注意：测试时清除缓存！

客户端依然访问Varnish服务器，http访问日志如下：
部署Varnish缓存搭理服务器

测试完成！！！

——————————————本文到此为止，感谢观看————————————


网站名称：部署Varnish缓存搭理服务器
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