Nginx란 무엇인가?

서론

토이 프로젝트를 진행하면서 웹 서버로 Nginx를 사용하게 되었는데, 단순히 사용만 하는 것이 아니라 개념부터 확실하게 잡고 가기 위해서 정리를 하게 되었습니다. 웹 서버에 대한 개념은 아래 게시글에서 정리한 적이 있으니 참고하시면 좋을 것 같습니다.

Web Server와 WAS의 차이

또한 Nginx를 설명하기 위해선 또 다른 웹 서버인 Apache와 비교하게 되는 될 수밖에 없기에, 이번 게시글에서는 Nginx와 Apache의 성능을 비교하면서 Nginx에 대해 한번 정리해 보겠습니다.

목차는 아래와 같습니다.

1. Nginx란?
2. Nginx가 만들어진 배경
3. Nginx의 구조
4. Nginx의 장단점
5. Apache와 Nginx의 성능 결과
6. 정리

 

Nginx란?

Nginx란 트래픽이 많은 웹사이트의 서버(WAS)를 도와주는 비동기 이벤트 기반구조의 경량화 웹 서버 프로그램입니다. 클라이언트로부터 요청을 받았을 때 요청에 맞는 정적 파일을 응답해주는 HTTP Web Server로 활용되기도 하고, 또는 Reverse Proxy Server로 활용하여 WAS의 부하를 줄일 수 있는 로드밸런서 역할을 하기도 합니다.

 Reverse Proxy와 로드밸런서에 대한 개념은 아래 게시글에서 정리했습니다.

Forward Proxy와 Reverse Proxy

 

Nginx가 만들어진 배경

Apache의 구조

최초의 웹 서버는 1995년 UNIX 기반으로 만들어진 NCSA HTTPd입니다(CERN httpd 웹 서버가 먼저 나왔습니다) .하지만 이 프로그램은 버그가 굉장히 많아서 개발자들이 사용할 때 불편함을 많이 느꼈습니다. 그래서 문제를 해결하기 위해서 만들어진 것이 바로 Apache Server입니다. Apache 같은 경우 요청이 들어오면 connection을 생성합니다. 그래서 새로운 클라이언트의 요청이 올 때마다 새로운 process를 생성합니다.

Apache의 PREFORK

그런데 프로세스를 생성하는 과정은 시간이 오래 걸리기 때문에 프로세스를 미리 만들어 놓는 PREFORK라는 방식을 이용했습니 다. 그래서 새로운 클라이언트의 요청이 오면 미리 만들어놓은 프로세스를 할당했습니다. 만약 만들어놓은 프로세스가 없다면 추가로 프로세스를 생성했습니다.

APACHE의 확장성

이런 구조 덕분에 개발자는 다양한 모듈을 만들어서 서버에 빠르게 기능을 추가할 수 있었습니다. 즉, 확장성이 높았고, Apache Server는 동적 컨텐츠를 처리할 수 있게 되었습니다. 확장성이 좋다는 장점은 결국 요청을 받고 응답을 처리하는 과정을 하나의 서버에서 해결하기 좋았습니다.

하지만 1999년에 들어오면서 컴퓨터가 많이 보급됨에 따라 요청이 많아져서 서버에 동시에 연결된 connection이 많을 때 더 이상 새로운 connection을 생성하지 못하게 되었습니다.

더 이상 새로운 connetion을 생성하지 못함

 이를 C10K(connection 10000 problem)문제라고 하는데 connection 10000개의 문제라는 뜻 입니다. Apache Server는 구조적으로 아래와 같은 문제점이 있었습니다.

1. 메모리 부족: connection이 연결될 때마다 프로세스를 생성
2. 무거운 프로그램: 확장성이 좋다는건 곧 리소스가 않다는 걸 의미
3. CPU 부하 증가:  많은 connection 요청이 들어오면 context switching을 많이 하기에 CPU 부하가 증가

Apache Server의 문제점

즉, Apache Server는 현대로 올수록 사용하기 꺼려졌고, 이러한 구조적 문제점을 해결한 Nginx가 2004년에 나왔습니다.

초창기 Nginx는 Apache와 함께 사용하기 위해 만들어졌습니다. 웹 서버이기는 하지만 아파치 서버를 완전히 대체할 목적은 아니었습니다. 아파치 서버가 지닌 구조적 한계를 Nginx를 사용하면서 극복하려고 했습니다. 

Nginx + Apache

위 이미지와 같이 수많은 동시 connection을 Nginx가 유지하고, Nginx도 웹 서버이기에 정적 파일에 대한 요청은 스스로 처리하고, 클라이언트로부터 동적 파일의 요청을 받았을 때만 아파치 서버와 connection을 형성하여 아파치 서버의 부하를 줄였습니다.

 

3. Nginx의 구조

그렇다면 Nginx는 어떠한 구조로 되어있길래 그 많은 동시 connection을 유지할 수 있을까요?

Nginx의 구조

• Nginx는 설정파일을 읽고, 설정에 맞게 worker process를 생성하는 master process가 있습니다.
• worker process는 실제로 일을 하는 프로세스이며 worker process가 만들어질 때 지정된 listen 소켓을 배정받습니다.
• 그리고 그 소켓에 새로운 클라이언트의 요청이 들어오면 connection을 형성하고 처리합니다.
• connection은 정해진 Keep-Alive 시간만큼 유지됩니다. 하지만 connection이 형성되었다고 해서 worker process가 해당 connection 하나만 담당하지는 않습니다
• 형성된 connection으로부터 아무런 요청이 없다면 새로운 connection을 형성하거나 이미 만들어진 다른 connection으로부터 들어온 요청을 처리합니다.

Nginx의 이벤트(event)

Nginx에서는 이러한 connection 형성과 제거, 그리고 새로운 요청을 처리하는 것을 이벤트(event)라고 합니다.

Nginx의 메모리 부족 현상 해결

그리고 이 이벤트들은 os커널이 queue형식으로 worker process에게 전달합니다. 이 이벤트들은 queue에 담긴 상태에서 비동기 상태로 대기합니다. 그리고 worker process는 하나의 스레드로 이벤트를 꺼내서 처리해 나갑니다. 이런 방식은 worker process가 쉬지 않고 일을 하기에, 요청이 없을 때 프로세스를 방치시키는 Apache Server보다 훨씬 효율적으로 자원을 사용할 수 있습니다.

Apache: 스레드 방식

Nginx: Event-driven 방식

위 이미지를 보면 알 수 있듯이 Apache 방식인 스레드 기반은 하나의 커넥션 당 하나의 스레드를 잡아먹지만 이벤트 기반 방식은 여러 개의 connection을 전부 Event Handler를 통해 비동기 방식으로 처리해 먼저 처리되는 것부터 로직이 진행되게끔 합니다. 

이러한 이벤트 기반 구조가 바로 Nginx의 핵심입니다.

 

4. Nginx의 장단점

Nginx의 단점

• 동적 컨텐츠를 기본적으로 처리 할 수 ​​없음
• 동적 콘텐츠에 대한 PHP 및 기타 요청을 처리하려면 NGINX가이를 실행하기 위해 외부 프로세서로 전달하고 렌더링 된 콘텐츠가 다시 전송 될 때까지 기다려야함(프로세스 속도 저하).
• 즉, 동적 웹 페이지 컨텐츠를 가진 모든 요청을 위해 외부 자원과 연계(php-fpm)

Nginx의 장점

• 이벤트 중심 접근 방식을 사용하여 클라이언트 요청 제공
• 제한된 하드웨어 리소스로도 여러 클라이언트 요청을 동시에 효율적으로 처리
• 단일 스레드를 통해 여러 연결을 처리 가능
• 최소한의 리소스로 웹 서버의 아키텍처를 개선하기 위해 독립형 HTTP 서버로 배치 가능

 

5. 성능 비교

동시 커넥션 수당 메모리 사용률

위 이미지는 동시 connection 수 당 메모리 사용률을 나타냅니다. Apache Server에 비해 Nginx는 동시 connection 수가 늘어나도 메모리 사용률이 낮고 일정한 사실을 알 수 있습니다.

 

동시 커넥션 수에 따라 처리되는 초당 요청 수

​동시 connection 수가 많아졌을 때 처리하는 초당 요청 수는 Nginx가 Apache에 비해 압도적으로 높은 모습을 보여줍니다.

 

6. 정리

Apache의 한계

클라이언트 접속마다 Process 혹은 Thread 를 생성하는 구조입니다. 1만 클라이언트로부터 동시접속 요청이 들어온다면 CPU 와 메모리 사용이 증가하고 추가적인 Process/Tread 생성비용이 드는 등 대용량 요청에서 한계를 보입니다. 또한, Apache 서버의 프로세스가 blocking 될 때 요청을 처리하지 못하고 처리가 완료될 때까지 대기상태에 있습니다. 이는 Keep Alive(접속대기) 로 해결이 가능하지만, 효율이 떨어집니다.

Nginx 의 정리

Nginx 는 위에서 언급했듯이 Event-Driven 방식으로 동작합니다. 즉, 프로그램 흐름이 이벤트에 의해 결정이 됩니다. 한 개 또는 고정된 프로세스만 생성하고, 그 내부에서 비동기로 효율적인 방식으로 task 를 처리합니다. Apache 와 달리 동시접속자 수가 많아져도 추가적인 생성비용이 들지 않습니다.

• 비동기 이벤트 기반으로 요청하여 적은양의 스레드가 사용되기 때문에 CPU소모가 적습니다.
• Apache 와 달리 CPU 와 관계없이 I/O 들을 전부 Event Listener로 미루기 때문에 흐름이 끊이지 않습니다.
• context switching 비용이 적습니다.

 

참고

https://youtu.be/6FAwAXXj5N0