撰稿丨千山
近日来，网站安全和托管服务供应商Cloudflare可以说春风得意。
根据网络咨询服务公司Netcraft的调查报告，今年1月在前100万个最繁忙的网站中，Cloudflare以21.64%的市场份额，一举越过Apache(21.40%)和Nginx(21.20%)，从第3位跃升至首位，成为最受欢迎的Web服务器。
之后，在国际权威研究机构GigaOm发布的全球CDN服务雷达报告中， Cloudflare又在15个供应商的解决方案中脱颖而出，被评为“领导者”和“表现卓越者”。
图源：GigaOm官网。（注：如图所示，GigaOm 雷达报告在一系列同心圆上评估，越靠近中心的解决方案整体价值越高。）
成立于2009年的Cloudflare以向用户提供网站安全管理、性能优化及相关的技术支持为主要业务。在技术上，这家公司很长一段时间都将Nginx视为核心，用于其提供的所有Web服务中，但这一状况在去年发生了变化。
2022年9月，Cloudflare宣布用自研的以Rust编写的Pingora取代了Nginx，旨在构建一个更快、更高效、更安全的全新HTTP代理。这一决策在当时也引起了一些猜测，不过从目前来看，彼时果断地改弦易辙正逐步展露成效。
1、为什么要舍弃Nginx？
Cloudflare之所以会放弃Nginx，简单来说，就是Nginx已经无法满Cloudflare日益增长的业务需求。
对此，Cloudflare的官方技术博客曾专门发文进行了解释，将Nginx的种种局限性主要归因为三点：
其一，架构限制影响性能。Nginx的worker（进程）架构对于Cloudflare的用例而言存在操作缺陷，导致损害性能和效率。
其二，某些功能类型难以添加。围绕Nginx构建所需功能时要尽量避免与Nginx上游代码库有太多分歧，这无疑会增加难度。而且Nginx是纯用C语言编写的，在设计上不能保障内存安全性。使用这样的第三方代码库非常容易出错。用来补充C语言的另一种编程语言Lua虽然风险较小，但性能也较差。
其三，社区活跃度不高。Nginx社区本身不是很活跃，开发往往是“闭门造车”。
当然，上述局限性中更致命的还是第一点。就像Cloudflare工程师在文中一针见血地指出：“对于我们的用例来说，最关键的问题是糟糕的连接重用。”
截图：https://blog.cloudflare.com/how-we-built-pingora-the-proxy-that-connects-cloudflare-to-the-internet/
简单来说，在Nginx中每个请求只能由单个worker处理。这会导致所有CPU内核的负载不平衡，从而导致处理速度变慢。
代理层节点机器与源服务器建立TCP连接，以代理HTTP请求。连接重用通过重用之前从连接池建立的连接，跳过新连接所需的TCP和TLS握手，来加快请求的TTFB（首字节时间）。
但是，Nginx连接池是按worker划分的。当请求到达某个worker时，它只能重用该worker内的连接。当我们添加更多Nginx worker以进行扩展时，连接重用率会变得更差，因为连接分散在所有进程的更多隔离池中，不仅会导致响应时间变慢，也会消耗额外的硬件资源。
图源：Cloudflare官方技术博客
针对这一问题，Cloudflare技术团队虽然尝试过种种优化方案，但最终发现只要Nginx Work（进程）架构不变，还是治标不治本。
2、身处三岔口的抉择
放弃Nginx，选择自研，也并非一蹴而就。Cloudflare经历了几年的持续评估，当时，他们主要面临三种选择。
其一，继续投资Nginx，并使用Fork版本来让其完全适配业务需求。尽管Cloudflare团队的专业储备过硬，但鉴于上述架构限制，必然要付出大量时间和努力才能实现重建。
其二，迁移到另一个第三方代理代码库。考虑使用别的好项目，比如envoy 。但这条道路意味着在几年内可能会重复同样的循环——不断探索试错，才能逐步磨合。
其三，从头开始，建立一个内部平台和框架。这一选择需要在开发方面进行大量的前期投资。但优点是能从起点就百分之百围绕Cloudflare的用例服务。
站在三叉路口，没有人能笃定那条道路就一定是光明坦途。正如Cloudflare的技术人员在回顾这段时间时谈到的：“在几年的时间里，我们继续走阻力最小的道路，继续增强Nginx。然而，在某些情况下，建立自有代理的投资回报率似乎更值得。我们呼吁从头开始建立一个代理，并开始设计我们梦想中的代理应用程序。”
如今，结果我们也看到了。他们坚定地迈向了第三条路——构建全新的代理架构，这就是用Rust编写的Pingora。
从零开始造轮子并非易事，但Pingora的表现却并不让人失望。据介绍，Pingora每天处理超过1万亿条请求，提高系统性能之余，也为Cloudflare客户带来不少新功能。更重要的是，它运行所占用的CPU和内存资源只相当于原有代理基础设施的三分之一。
3、用Rust重写Nginx模块
自去年9月的发布以来，Cloudflare团队在“去Nginx化”的道路上一直在低调前行。日前，Cloudflare在其官博上介绍了如何使用Rust重写Nginx模块。
“我们的工程师们用Rust为Cloudflare基础设施中最古老和最不为人所知的部分 ——cf-html，编写了替代品，通过完成这项工作为我们完全摆脱Nginx铺平了道路”
cf-html是一个Nginx模块，位于Cloudflare的核心反向Web代理内部，亦称为FL (Front Line)。FL运行着Cloudflare应用程序服务的大部分逻辑，因此这次替换如果能顺利完成，无疑会更具标志性。
图源：推特@Cloudflare
Cloudflare方面表示，未来他们会继续逐步更换用于运行Nginx/OpenResty代理的组件，或者无需对自研平台投入大量开发资源就可以完成的组件，从而构建一个没有Nginx的未来 。
最后Cloudflare还提到了Rust带来的优势：“很难想象如果没有像Rust这样的语言，我们会处于怎样的境地，因为Rust在提供速度的同时又提供了高度的安全性，还有像Bindgen和Serde这样的高质量库。”
“更宽泛地说，FL团队正在努力将平台的其他方面迁移到Rust中，虽然cf-html和围绕其构建的功能是我们基础架构中需要改进的关键部分，但还有许多其他方面需要改进。”
“多数人认为编程语言的安全性主要是用于预防错误，但对于一家公司来说，我们发现编程语言的安全优势还可以用来完成一些被认为非常困难、或不可能安全实现的功能需求。”
4、结语：“去Nginx化”成趋势了吗
就Cloudflare这个案例来说，Pingora比Nginx的表现更高效更安全，并不意味着Rust比C语言好，也并不表示Pingora在任何场景下都优于Nginx，而是Pingora更适合Cloudflare的用例。
CDN的规模导致了其对微小抖动的敏感性，同时底层基础设施的技术改进也是Cloudflare这样的公司点燃其革新火种的助力之一。Cloudflare选择了对他们的业务模型表现更佳的解决方案。
但是我们注意到，近年来一些大厂在“去 Nginx”上动作频频。比如：
（1）Dropbox从Nginx迁移到了Envoy；
（2）百度开源采用GO语言的BFE；
（3）阿里巴巴云原生网关Higress基于Envoy，支持Nginx Ingress零成本快速迁移 。
不可否认，Nginx在反向代理、负载均衡方面表现出色，但“C+Lua”的组合也的确很难在性能和安全上实现两全。作为时代的产物，Nginx或许不能被轻易进行比较，但“去Nginx化”似乎正在成为一种趋势。
参考链接：
https://blog.cloudflare.com/how-we-built-pingora-the-proxy-that-connects-cloudflare-to-the-internet/
https://news.netcraft.com/archives/2023/01/27/january-2023-web-server-survey.html
https://twitter.com/Cloudflare/status/1629119206770847744?s=05
