wiennat

Pingora พร็อกซีตัวใหม่ของ Cloudflare ที่มาแทน nginx

เมื่อหลายวันก่อน Cloudflare ประกาศว่าได้เปลี่ยนมาใช้พร็อกซีตัวใหม่ที่พัฒนาขึ้นใหม่ทั้งหมดแทนที่ nginx ที่ใช้งานอยู่ก่อนหน้า โดยเหตุผลหลักก็เพื่อแก้ปัญหาจากข้อจำกัดของ nginx เอง โดยในบล็อกมีการอธิบายถึงปัญหาดังกล่าวไว้ด้วย ถึงจะรู้ว่าเราคงไม่น่าจะมีโอกาสได้เจออะไรแบบนี้เท่าไหร่ แต่ก็ทำให้เราได้มีโอกาสเปิดหูเปิดตาว่าในระบบใหญ่ๆ ระดับนี้นั้นมีปัญหาอะไรเกิดขึ้นได้บ้าง

nginx ในระบบของ Cloudflare

ก่อนเราจะเริ่มไปพูดถึงว่า nginx มีปัญหาอย่างไร เราลองมาดูกันก่อนว่า Cloudflare ใช้งาน nginx อย่างไรบ้าง

ปกติแล้ว Cloudflare จะทำหน้าที่เป็นตัวกลางที่อยู่ระหว่างไคลเอนต์ (เครื่องผู้ใช้, บราวเซอร์, แอปหรืออุปกรณ์ต่างๆ) ที่เรียกใช้งานเซิฟเวอร์ (API Server) โดย Cloudflare นั้นเลือกใช้ nginx เพื่อใช้เป็นพร็อกซี (Proxy) ที่จะส่งต่อการคุยกันระหว่างเครื่องผู้ใช้และเซิฟเวอร์ เมื่อบวกกับการที่ Cloudflare มีเครื่อง edge server ที่อยู่ใกล้กับไคลเอนต์มากๆ ทำให้การใช้งานโดยทั่วไปมีประสิทธิภาพสูงกว่าการเรียกเซิฟเวอร์แบบตรงๆ

หนึ่งในวิธีที่ Cloudflare ใช้เพื่อช่วยเพิ่มประสิทธิภาพก็คือ Connection reuse ซึ่งแทนที่จะต้องสร้าง connection จากพร็อกซีไปยังเครื่องเซิฟเวอร์ทุกครั้งที่มี request เข้ามา ก็ให้ nginx เก็บ connection เก่าๆ เอาไว้ใน connection pool หากมี request ใหม่ที่ต้องการใช้งานเซิฟเวอร์เดิมก็แค่เอา connection ใน pool ออกมาใช้ เท่านี้ก็ช่วยลดเวลาและหน่วยความจำที่ต้องใช้สร้าง connection ได้แล้ว

ปัญหาของ nginx ใน Cloudflare

Connection pool ใน Cloudflare

ช่วงก่อนหน้านี้ Cloudflare นั้นก็มีการพูดถึงปัญหาในการใช้งาน nginx มาอยู่บ้างคือ

  1. ข้อจำกัดของ architecture ที่ nginx ใช้นั้นมีผลต่อ performance
    • nginx ใช้ worker ในระดับ process และหนึ่ง request จะถูก handle ด้วย process เดียวแบบไม่มี work stealing แปลว่าถ้ามี request ที่ใช้งาน CPU หนักๆ หรือใช้ blocked I/O ก็จะทำให้ request อื่นๆ ช้าตามไปด้วย
    • nginx ยังมีปัญหาว่าจะ schedule งาน worker แบบไม่เท่าเทียมกัน ทำให้ปัญหาข้างต้นมีผลกว่าเดิม
    • ไม่มีการแชร์ connection pool ข้าม worker process -  ถ้า process ที่รับ request จะเป็นเครื่องเดียวกันแต่เป็นคนละ process ก็ต้องสร้าง connection ใหม่อยู่ดี
  2. เพิ่มฟีเจอร์อื่นๆ ได้ยาก - ถึง nginx จะมีให้เขียนโมดูลเพิ่มเติมได้ แต่ถ้าไม่เข้ากับสิ่งที่ nginx ออกแบบไว้ก็อาจจะทำได้ยาก
  3. อีกสิ่งที่พูดถึงแต่ละไว้เป็นตัวเล็กๆ คือเดฟของ nginx ไม่ค่อยแอคทีฟในคอมมูนิตี้แต่ไปงุบงิบทำกันเอง

แนวทางการแก้ปัญหาของ Cloudflare

Cloudflare อธิบายว่ามีสามทางเลือกเพื่อแก้ปัญหานี้

  1. ใช้งาน nginx ต่อไป - อาจจะต้อง fork project เพื่อปรับให้เข้ากับการใช้งานของ Cloudflare ซึ่งจากปัญหาข้างต้นคิดว่าเป็นงานใหญ่ถึงแม้ว่าบุคลากรจะมีความเชี่ยวชาญ แต่ก็ไม่ใช่เรื่องง่าย
  2. เปลี่ยนไปใช้พร็อกซีตัวอื่นอย่าง Envoy (Dropbox เลือกแนวทางนี้)- กังวลว่าพอใช้ๆ ไปก็จะเกิดปัญหาอื่นที่แก้ไม่ได้ง่ายๆ แบบเดียวกับ nginx อยู่
  3. ทำใหม่หมด - ข้อนี้เหนื่อยสุด เราอยู่อยู่แล้วว่า Cloudflare เลือกทางนี้

ที่น่าสนใจคือก่อน Cloudflare จะตัดสินใจแบบนี้ก็ได้ประเมินทางเลือกทุกๆ ไตรมาสมาซักระยะแล้ว (ในบทความใช้ว่า for a few years) ซึ่งผลก็คือใช้ nginx ต่อจนสุดท้ายก็เห็นว่าลงทุนทำใหม่เลยคุ้มค่ากว่าก็ค่อยตัดสินใจเริ่มทำของตัวเอง

Design Decision ใน Pingora project

Connection pool ใน Pingora
Cloudflare เลือกใช้ Rust เพราะอยากได้ Performance แบบ C แต่มีความ memory-safe อยู่ อีกเหตุผลน่าจะเพราะว่ามีการใช้ Rust ในหลายๆ โปรดักส์อยู่แล้ว

  • เลือกจะอิมพลีเมนต์ไลบรารี HTTP ขึ้นมาใหม่เพื่อตอบสนองความใช้งานตัวเอง เพราะไลบรารีที่เป็น 3rd-party อาจจะเลือกทำตามมาตรฐานอย่างเคร่งครัดและปฏิเสธ request ที่ไม่ตรงตามมาตรฐาน แต่ลูกค้าของ Cloudflare นั้นอาจจะใช้ request ที่ไม่ตรงมาตรฐานที่ว่านั้นก็ได้ ทำให้อยู่ในสภาพที่ต้องเลือกระหว่าง “ความถูกต้องหรือความถูกใจ” ซึ่ง Cloudflare เลือกความถูกใจ

  • ใช้ Multi-threading แทน Multi-processing เพื่อแชร์ข้อมูลกันระหว่าง worker โดยเฉพาะ connection pool และ อนุญาตให้มี work stealing เพื่อลดปัญหาที่งานกระจุกอยู่ที่ worker เดียวโดยที่ worker อื่นไม่มีงานทำ

  • ทำเป็น extensible platform ที่ให้กลุ่มอื่นมาเพิ่มฟีเจอร์ได้ง่ายๆ

ผลหลังจากเอา Pingora มาใช้

  • หลังจากใช้งานใน production มาระยะหนึ่ง Cloudflare ก็สรุปออกมาว่า Pingora นั้นเร็วกว่า nginx จริงๆ

  • ที่เป็นแบบนี้ก็เพราะมีการแชร์ข้อมูลกันระหว่าง Worker มากขึ้น ทำให้จำนวน connection ที่สร้างต่อวินาทีนั้นเหลือแค่ 1/3 ของระบบเก่า อัตราส่วนของการใช้ connection ซ้ำในระบบของลูกค้ารายหนึ่งเพิ่มขึ้นจาก 87 1% -> 99 2% หรือถ้าคิดเป็นจำนวน connection ที่สร้างขึ้นใหม่ก็จะเหลือแค่ 1/160 ของของเดิม

  • แล้วพอเป็นของตัวเอง จะทำอะไรก็ง่ายไม่ต้องเสียเวลาคุยกันข้ามองค์กร ทำให้เข็นฟีเจอร์ใหม่ๆ ออกมาได้ง่ายขึ้น

  • ประหยัดขึ้น เพราะใช้ซีพียูน้อยลง 70% ใช้หน่วยความจำน้อยลง 67% เมื่อเทียบกับระบบเดิมและโหลดเท่าเดิม เหตุผลเพราะนอกจาก Rust ทำงานได้มีประสิทธิภาพกว่า Lua แล้วยังไม่ต้องไปใช้การทำงานที่ต้องข้ามไปข้ามมาระหว่าง C <-> Lua แบบใน nginx และอีกเหตุผลคือ พอมีการใช้ซ้ำ connection มากๆ ก็ประหยัดเวลาการทำ TLS handshaking ที่เปลืองเวลาซีพียู

  • สิ่งที่เป็น by product คือปลอดภัยขึ้นเพราะส่วนใหญ่ถ้ามีปัญหาก็มักจะไม่ได้เกิดจาก Pingora ทำให้ตรวจพอปัญหาในจุดอื่นๆ ที่ไม่รู้มาก่อนเพิ่มมากขึ้น

สรุป

Cloudflare เปลี่ยนมาทำพร็อกซีของตัวเองเพราะการใช้งาน nginx ต่อไปเริ่มไม่คุ้มค่าแล้ว เหตุผลหลักๆ ก็มาจากสถาปัตยกรรมของ nginx ที่เริ่มตอบโจทย์การใช้งานของ Cloudflare ได้ไม่ดี มีการใช้ reuse connection น้อยเพราะแต่ละ process แชร์ connection pool ไม่ได้ ซึ่งกว่า Cloudflare จะตัดสินใจทำของตัวเองก็ใช้เวลาพิจารณาอยู่หลายปีจนมั่นใจว่าทำแล้วคุ้มแน่ถึงจะเริ่มทำ

แล้วพอทำของตัวเองก็ออกแบบให้เข้ากับการใช้งานของตัวเองเป็นหลัก เลือกทำไลบรารีของตัวเองที่รองรับ request ที่ไม่ได้มาตรฐาน ผลก็คือได้พร็อกซีตัวใหม่ที่ตอบโจทย์ตรงกับความต้องการทางธุรกิจของตัวเองมากขึ้น ประหยัดต้นทุนของระบบไปได้เยอะ (เปลี่ยนเป็นต้นทุนทรัพยากรมนุษย์แทน)

สรุปจาก: https://blog.cloudflare.com/how-we-built-pingora-the-proxy-that-connects-cloudflare-to-the-internet/

ปล 1. ยังไม่เปิดซอร์สและคิดว่าน่าจะไม่เปิดด้วย

ปล 2. นั่งอ่านไปก็พบว่าคนเขียนบทความนี่แซะ nginx แทบทุกย่อหน้า