Varnish缓存服务器是什么？工作机制是什么？怎么搭建Varnish？

一、简介
Varnish是高性能开源的反向代理服务器和HTTP缓存服务器，其功能与Squid服务器相似，都可以用来做HTTP缓存。可以安装 varnish 在任何web前端，同时配置它缓存内容。与传统的 squid 相比，varnish 具有性能更高、速度更快、管理更加方便等诸多优点。有一部分企业已经在生产环境中使用其作为旧版本的 squid的替代方案，以在相同的服务器成本下提供更好的缓存效果，Varnish 更是作为 cdn 缓存服务器的可选服务之一。

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varnish的主要特性如下：
•   缓存位置：可以使用内存也可以使用磁盘。如果要使用磁盘的话推荐 SSD 做 RAID1；
•   日志存储：日志也存储在内存中。存储策略：固定大小，循环使用；
•   支持虚拟内存的使用；
•   有精确的时间管理机制，即缓存的时间属性控制；
•   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。可以通过特定的配置语言设计不同的控制语句，以决定数据在不同位置以不同方式缓存，在特定的地方对经过的报文进行特定规则的处理；
•   缓存管理：以二叉堆格式管理缓存数据，做到数据的及时清理。

varnish与squid相比，都是一个反向代理缓存服务器，并且都是开源的，varnish的稳定性很高，并且访问速度很快，因为Squid是从硬盘读取缓存的数据，而Varnish把数据存放在内存中，直接从读取内存，避免了频繁在内存、磁盘中交换文件，所以Varnish要相对更高效，varnish可以支持更多的并发连接，因为varnish的TCP连接释放要比squid快；varnish也可以通过管理端口，使用正则表达式批量的清除部分缓存，而squid是做不到的；squid 属于是单进程使用单核 CPU，但 Varnish 是通过 fork 形式打开多进程来做处理，所以可以合理的使用所有核来处理相应的请求。
上述说了很多varnish的优点，但是varnish也并非完美，其缺点主要有以下两个：
1、varnish 进程一旦 Crash 或者重启，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 使用中如果单个 url 的请求通过 HA/F5 等负载均衡，则每次请求落在不同的varnish 服务器中，造成请求都会被穿透到后端；而且同样的请求在多台服务器上缓存，也会造成 varnish 的缓存的资源浪费，造成性能下降；
Varnish 劣势的解决方案：
针对劣势一：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 squid/nginx 服务器。主要为了防止前面的 varnish 服 务、服务器被重启的情况下，大量请求穿透 varnish，这样 squid/nginx 可以就担当第二层 CACHE，而且也弥补了varnish 缓存在内存中重启都会释放的问题；
针对劣势二：可以在负载均衡上做 url 哈希，让单个 url 请求固定请求到一台 varnish 服务器上;
二、Varnish 如何工作
Varnish 的master进程负责启动工作，master进程读取配置文件，根据指定的空间大小（例如管理员分配了2G内存）来创建存储空间，创建并管理child进程；
然后child进程来处理后续任务，它会分配一些线程来执行不同的工作，例如：接受http请求、为缓存对象分配存储空间、清除过期缓存对象、释放空间、碎片整理等。
http请求处理过程如下：
1、有一个专门负责接收http请求的线程，一直监听请求端口，当有请求过来时，负责唤起一个工作线程来处理请求，工作线程会分析http请求的uri，知道了这个请求想要什么，就到缓存中查找是否有这个对象，如果有，就把缓存对象直接返回给用户，如果没有，会把请求转给后端服务器处理，并等待结果，工作线程从后端得到结果内容后，先把内容作为一个缓存对象保存到缓存空间（以备下次请求这个对象时快速响应），然后再把内容返回给用户
分配缓存过程如下：
有一个对象需要缓存时，根据这个对象的大小，到空闲缓存区中查找大小最适合的空闲块，找到后就把这个对象放进去，如果这个对象没有填满这个空闲块，就把剩余的空间做为一个新的空闲块，如果空闲缓存区中没地方了，就要先删除一部分缓存来腾出地方，删除是根据最近最少使用原则。
释放缓存过程如下：

有一个线程来负责缓存的释放工作，他定期检查缓存中所有对象的生存周期，如果某个对象在指定的时间段内没有被访问，就把这个对象删除，释放其占用的缓存空间，释放空间后，检查一下临近的内存空间是否是空闲的，如果是，就整合为一个更大的空闲块，实现空间碎片的整理。
更多varnish特性，请移步至varnish官方网站：https://varnish-cache.org/
三、部署varnish缓存服务器
环境准备：

•   三台centos 7.3服务器，IP分别为192.168.171.135、192.168.171.134、192.168.171.132；
•   其中IP192.168.171.135为varnish缓存服务器，而另外两台为后端web服务器，分别准备不同的网页文件（我这里将其网页内容更改为其IP），以便验证其缓存效果；
•   下载我提供的varnish源码包，并上传至varnish服务器：https://pan.baidu.com/s/1nA1yecayUMkByzSJK_ZXpg
•   提取码：3gem

1、开始部署安装varnish：

[root@varnish ~]# wget -O /etc/yum.repos.d/CentOS-Base.repo http://mirrors.aliyun.com/repo/Centos-7.repo  
#下载阿里镜像站的repo文件
[root@varnish ~]# yum -y install libedit-devel pcre-devel python-docutils    #安装依赖包
[root@varnish ~]# cd /usr/src        #切换至指定目录
[root@varnish src]# rz      #上传我提供的varnish源码包
[root@varnish src]# tar zxf varnish-4.0.3.tar.gz         #解包
[root@varnish src]# cd varnish-4.0.3/           #进入解压后的目录
[root@varnish varnish-4.0.3]# ./configure && make && make install        #编译安装
[root@varnish varnish-4.0.3]# cp etc/example.vcl /usr/local/var/varnish/     #复制模板到指定路径
[root@varnish varnish-4.0.3]# cd !$        #切换到varnish安装目录下
[root@varnish varnish]# vim example.vcl          #编辑其模板配置文件，根据自己所需功能，编写以下内容：
#
# 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宕机
}
backend web1 {    #定义后端服务器
.host = "192.168.171.134";  #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 = "192.168.171.132";     
.port = "80";
.probe = backend_healthcheck;
}
acl purgers { #定义访问控制列表
        "127.0.0.1";
        "localhost";
        "192.168.171.0/24";
        !"192.168.171.132";
}
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)($|\?)") {
        return (pass);   #当客户端访问的是.php等结尾的交给pass处理.
}
if (req.http.Authorization) {
        return (pass);    #当客户端请求的页面类型是需要认证的，交给pass处理
}
if (req.http.Accept-Encoding) {
        if  (req.url  ~ "\.(bmp|png|gif|jpg|jpeg|ico|gz|tgz|bz2|tbz|zip|rar|mp3|mp4|ogg|swf|flv)$") {
        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);
}
#编辑完成后，保存退出后即可。
[root@varnish varnish]# varnishd -f /usr/local/var/varnish/example.vcl -s malloc,200M -a 0.0.0.0:80
#启动varnish服务，监听本机所有IP的80端口，-f为指定vcl文件，-s是指定用来存放缓存的容量
[root@varnish ~]# varnishlog   #varnish启动后，可以执行此命令查看其日志。

客户端访问进行测试某些功能（谷歌浏览器访问前按“F12”）：

按“F5”刷新一下：

访问到的是我们配置文件中指定的头部信息，并且状态码为304。
验证ACL清除缓存配置：

在主机192.168.171.132进行清除缓存操作（varnish配置的是不允许此IP清除缓存）：
[root@localhost ~]# curl -X "PURGE" 192.168.171.135       #清除varnish的缓存

会得到以下报错信息：

在varnish允许的IP上进行清除缓存操作（192.168.171.134主机），会看到以下成功的信息：

附加：
上述完整无注释的配置文件如下：

vcl 4.0;
import directors;
import std;
probe backend_healthcheck {
.url="/"; 
.interval = 5s;
.timeout = 1s;
.window = 5; 
.threshold = 3; 
}
backend web1 { 
.host = "192.168.171.134";  
.port = "80"; 
.probe = backend_healthcheck; 
}
backend web2 {
.host = "192.168.171.132";     
.port = "80";
.probe = backend_healthcheck;
}
acl purgers { 
        "127.0.0.1";
        "localhost";
        "192.168.171.0/24";
        !"192.168.171.132";
}
sub vcl_init  {  
        new  web_cluster=directors.round_robin();
        web_cluster.add_backend(web1); 
        web_cluster.add_backend(web2);
}
sub vcl_recv {
        set req.backend_hint = web_cluster.backend(); 
        if (req.method == "PURGE") {  
                if (!client.ip ~ purgers) {   
                        return (synth(405, "Not Allowed.")); 
        }
        return (purge); 
}
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") {   
                return (pipe);
        }
if (req.method != "GET" && req.method != "HEAD") {
        return (pass);
}
if (req.url ~ "\.(php|asp|aspx|jsp|do|ashx|shtml)($|\?)") {
        return (pass); 
}
if (req.http.Authorization) {
        return (pass);  
}
if (req.http.Accept-Encoding) {
        if  (req.url  ~ "\.(bmp|png|gif|jpg|jpeg|ico|gz|tgz|bz2|tbz|zip|rar|mp3|mp4|ogg|swf|flv)$") {
        unset req.http.Accept-Encoding; 
        } elseif (req.http.Accept-Encoding ~ "gzip") {
                set req.http.Accept-Encoding = "gzip"; 
        } elseif (req.http.Accept-Encoding ~ "deflate") {
                set req.http.Accept-Encoding = "deflate";
        } else {
        unset req.http.Accept-Encoding;
        }
     }
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; 
        return (hash);   
}
if (req.restarts == 0) { 
        if (req.http.X-Forwarded-For) {   
                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);  
        if (req.http.host) {
                hash_data(req.http.host); 
        } else {
                hash_data(server.ip);  
        }
        return (lookup);
}
sub vcl_hit {
        if (req.method == "PURGE") {  
                return (synth(200, "Purged."));
        }
        return (deliver);
}

sub vcl_miss {
    if (req.method == "PURGE") {
                return (synth(404, "Purged."));
        }
        return (fetch);
}
sub vcl_deliver {
        if (obj.hits > 0) {
                set resp.http.CXK = "HIT-from-varnish";
                set resp.http.X-Cache-Hits = obj.hits; 
        } else {
        set resp.http.X-Cache = "MISS";
        }
        unset resp.http.X-Powered-By; 
        unset resp.http.Server;    
        unset resp.http.X-Drupal-Cache; 
        unset resp.http.Via; 
        unset resp.http.Link; 
        unset resp.http.X-Varnish; 
        set resp.http.xx_restarts_count = req.restarts;  
        set resp.http.xx_Age = resp.http.Age; 
        #set resp.http.hit_count = obj.hits; 
        #unset resp.http.Age;
        return (deliver);
}
sub vcl_pass {
        return (fetch);  
}
sub vcl_backend_response {
        set beresp.grace = 5m; 
        if (beresp.status == 499 || beresp.status == 404 || beresp.status == 502) {
                set beresp.uncacheable = true;
        }
        if (bereq.url ~ "\.(php|jsp)(\?|$)") {
                set beresp.uncacheable = true; 
        } else {
                if (bereq.url ~ "\.(css|js|html|htm|bmp|png|gif|jpg|jpeg|ico)($|\?)") {
                set beresp.ttl = 15m; 
                unset beresp.http.Set-Cookie;
                } elseif (bereq.url ~ "\.(gz|tgz|bz2|tbz|zip|rar|mp3|mp4|ogg|swf|flv)($|\?)") {
                        set beresp.ttl = 30m;
                        unset beresp.http.Set-Cookie;
                } else {
                        set beresp.ttl = 10m;
                        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); 
        }
}
sub vcl_fini {
        return (ok);
}
若想实现varnish的缓存功能，通过以下基本的定义即可实现（example.vcl文件中有以下内容即可）：
vcl 4.0;
import directors;
probe backend_healthcheck {
        .url = "/";
        .timeout = 1s;
        .interval = 5s;
        .window = 5;
        .threshold = 3;
}
backend web1 {
        .host = "192.168.171.134";
        .port = "80";
        .probe = backend_healthcheck;
}
backend web2 {
        .host = "192.168.171.132";
        .port = "80";
        .probe = backend_healthcheck;
}
sub vcl_init {
        new web_cluster = directors.round_robin();
        web_cluster.add_backend(web1);
        web_cluster.add_backend(web2);
}
sub vcl_recv {
        set req.backend_hint = web_cluster.backend();
}