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浅析 Nginx 网络事件

Nginx 是一个事件驱动的框架,所谓事件主要指的是网络事件,Nginx 每个网络连接会对应两个网络事件,一个读事件一个写事件。在深入了解 Nginx 各种原理及在极端场景下的一些错误场景处理时,需要首先理解什么是网络事件。

网络传输

网络传输

接下来看上面这张图,比如主机 A 就是一台家里的笔记本电脑,那么主机 B 就是一台服务器,上面跑着 Nginx 服务。从主机 A 发送一个 HTTP 的 GET 请求到主机 B,这样的一个过程中主要经历了哪些事件?通过上图数据流部分可以看出:

应用层里发送了一个 GET 请求 -> 到了传输层,这一步主要在做一件事,就是浏览器打开了一个端口,在 windows 的任务管理器中可以看到这一点,他会把这个端口记下来以及把 Nginx 打开的端口比如 80 或者 443 也记到传输层 -> 然后在网络层会记下我们主机所在的 IP 和目标主机,也就是 Nginx 所在服务器公网 IP -> 到链路层以后 -> 经过以太网 -> 到达家里的路由器(网络层),家中的路由器会记录下所在运营商的一些下一段的 IP -> 通过广域网 -> 跳转到主机 B 所在的机器中 -> 报文会经过链路层 -> 网络层 -> 到传输层,在传输层操作系统就知道是给那个打开了 80 或者 443 的进程,这个进程自然就是 Nginx -> 那么 Nginx 在他的 HTTP 状态处理机里面(应用层)就会处理这个请求。

在上述过程中网络报文扮演了一个怎样的角色呢?

TCP流与报文

TCP流与报文

数据链路层会在数据的前面 Header 部分和 Footer 部分添加上源 MAC 地址和源目的地址 -> 到了网络层则是 Nginx 的公网地址(目的 IP 地址)和浏览器的公网地址(源 IP 地址)-> 到了 TCP 层(传输层),指定了 Nginx 打开的端口(目的端口)和浏览器打开的端口(源端口)-> 然后应用层就是 HTTP 协议了。

这就是一个报文,也就是说我们发送的 HTTP 协议会被切割成很多小的报文,在网络层会切割叫 MTU,以太网的每个 MTU 是 1500 字节;在 TCP 层(传输层)呢会考虑中间每个环节中最大的一个 MTU 值,这个时候往往每个报文只有几百字节,这个报文大小我们称为叫 MSS ,所以每收到一个 MSS 小于这么大小的一个报文时其实就是一个网络事件。

这个时候,我们来看下 TCP 协议中许多事件是怎样和我们日常调用的一些接口(比如 Accept、Read、Write、Close)是怎样关联在一起的?

TCP 协议与非阻塞接口

TCP协议与非阻塞接口

请求建立 TCP 连接事件实际上是发送了一个 TCP 报文,通过上面第二部分讲解的那样的一个流程到达了 Nginx,对应的是读事件。因为对于 Nginx 来说,我读取到了一个报文,所以就是 Accept 建立链接事件。

如果是 TCP 连接可读事件,就是发送了一个消息,对于 Nginx 也是一个读事件,就是 Read 读消息。

如果是对端(也就是浏览器)主动地关掉了,相当于 windows 操作系统会去发送一个要求关闭链接的一个事件,对于 Nginx 来说还是一个读事件,因为他只是去读取一个报文。

那什么是写事件呢?当我们的浏览器需要向浏览器发送响应的时候,需要把消息写到操作系统中,要求操作系统发送到网络中,这就是一个写事件。

像这样的一些网络读写事件,通常在 Nginx 中或者任何一个异步事件的处理框架中,他会有个东西叫事件收集、分发器。会定义每类事件处理的消费者,也就是说事件是一个生产者,是通过网络中自动的生产到我们的 Nginx 中的,我们要对每种事件建立一个消费者。比如连接建立事件消费者,就是对 Accept 调用,HTTP 模块就会去建立一个新的连接。还有很多读消息或者写消息,在 HTTP 状态机中不同的时间段会调用不同的方法也就是每个消费者处理。

以上就是一个事件分发、消费器,包括 AIO 像异步读写磁盘事件,还有定时器事件,比如是否超时(worker_shutdown_timeout)。

Nginx 网络事件实例

上面介绍了网络报文的发送以及对应的 Nginx 中的网络事件,比如 Accept 建立一条新连接其实是收到一条读事件,接下来我们通过抓包来分析建立三次握手时时怎么样让 Nginx 收到读事件,使用的抓包工具是 Wireshark。

Wireshark

首先我们安装 Wireshark 软件,并对 Nginx 所在 IP 和端口进行抓包,然后访问页面,在 TCP 层主要说两件事情:

  • 浏览器首先会打开这个页面,本地打开了一个 1875 端口,而 Nginx 启动的是 8080 端口。
  • TCP 层主要做的是进程与进程之间通讯这件事。

TCP

IP 层主要解决机器与机器之间怎样互相找到的问题。

IP

三次握手也就是 windows 先向 Nginx 发送了一次 [SYN],那么相反的 Nginx 所在的服务器也会向 windows 发送一个 [SYN],这个时候 Nginx 是没有感知到的,因为这个连接还是处于半打开的状态。直到这台 windows 服务器再次发送 [ACK] 到 Nginx 所在的服务器之上时,Nginx 所在的操作系统才会去通知 Nginx 我们收到了一个读事件,这个读事件对应是建立一个新连接,所以此时 Nginx 应该调用 Accept 方法去建立一个新的连接。

三次握手

以上我们通过 Wireshark 抓包演示了正常的三次握手是怎么样引发一个读事件来使得 Nginx 去处理这样一个读事件来建立新的连接的。

总结

这篇文章主要讲解了网络事件,并通过抓包来分析 Nginx 网络事件,这对我们理解 Nginx 异步处理框架是非常有帮助的,包括 OpenResty 也是强依赖于网络事件以及事件分发的。

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