Criação de um Ambiente Web de Alto Desempenho para o Portal do CEULP/ULBRA

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1 Criação de um Ambiente Web de Alto Desempenho para o Portal do CEULP/ULBRA Valdirene da Cruz Neves Júnior, Jackson Gomes de Souza Curso de Sistemas de Informação Centro Universitário Luterano de Palmas Resumo: A criação de um ambiente web de alto desempenho envolve diversas técnicas e conceitos, que variam desde a utilização de ferramentas para otimização do servidor (back-end) até a ordem dos elementos em uma página HTML (front-end). Neste trabalho, que aborda as otimizações do servidor, foram estudadas as ferramentas PHP, Nginx, Apache, Memcached e APC. Com a junção dessas ferramentas foi criado um ambiente web de alto desempenho no servidor do Portal do CEULP/ULBRA e foram feitos testes na página inicial que mostraram a eficiência dessas tecnologias. Com a implantação deste ambiente foi possível obter um desempenho até 10 vezes maior em relação ao ambiente anterior do Portal. Com base nos resultados, foi possível concluir que a utilização dessas ferramentas pode melhorar o desempenho do servidor, consumindo menos memória, processamento e banda de rede. Palavras-Chave: alto desempenho, web, nginx, apache, memcached, php, apc 1 Introdução Com o passar dos anos e com o avanço da tecnologia, o desenvolvimento de serviços e aplicações para a web foi ficando cada vez mais dinâmico e interativo. Esta evolução vem acontecendo principalmente com a criação de ferramentas que funcionam essencialmente online, como por exemplo, sistemas de bate-papos. Este processo se torna mais cômodo para os usuários, no entanto, pode se tornar uma preocupação para quem gerencia o servidor, devido ao grande número de requisições realizadas pelo navegador. Um dos problemas encontrados nessas aplicações dinâmicas é o grande número de requisições que os servidores recebem em um pequeno intervalo de tempo. Quando cada uma das páginas do web site necessita de atualizações em tempo real, esse número de requisições cresce mais ainda. Quando o usuário, por meio do navegador, acessa uma página que é processada, por exemplo, PHP, o servidor, na execução, busca informações no banco de dados, gera um conteúdo HTML e envia de volta ao navegador. Esse processamento junto com o grande consumo de dados torna lento o processo de comunicação entre o cliente e o servidor. Dentre as formas de ajudar a solucionar esse problema, estão a compactação de Javascript e a utilização de ferramentas para gravar os conteúdos HTML gerados em memória (cache). O Portal Acadêmico do CEULP/ULBRA recebe inúmeras visitas diariamente, que apesar de não oferecer páginas com conteúdos dinâmicos, consome bastante processamento do servidor. A visita de página de um usuário são realizadas várias requisições no banco de dados para buscar informações que serão apresentadas na página. Além disso, as páginas são compostas por conteúdos CSS, Javascript e imagens. NEVES JUNIOR, V. C., SOUZA, J. G. Criação de um Ambiente Web de Alto Desempenho para o Portal do CEULP/ULBRA. In: CEULP_ULBRA.pdf. 53

2 Este trabalho tem como objetivo a criação de um ambiente web de alto desempenho, utilizando os servidores Apache e Nginx, com mecanismos de armazenamento em cache, como Memcached e APC. É objetivo do trabalho, também, aplicar este ambiente nos servidores da Fábrica de Software do CEULP. No decorrer do texto são mostrados alguns conceitos e, ao final, após comparativos e testes. Além disso será apresentado como diversas ferramentas utilizadas neste trabalho operam em conjunto para proporcionar um ganho de desempenho. 2 Material e Métodos Este trabalho foi desenvolvido nas dependências da Fábrica de Software do CEULP com o intuito de aplicar as técnicas estudadas para melhorar a infraestrutura web do Portal do CEULP/ULBRA. Para realização deste trabalho, adotou-se como primeiro passo a definição de quais ferramentas utilizar, que serão apresentadas nas próximas seções. Neste caso, preferiu-se a utilização do XAMPP com o Apache e PHP, Nginx, Memcached e APC. A partir de então, passou-se a estudar sobre essas ferramentas e o funcionamento das mesmas em conjunto para proporcionar o ambiente desejado. Após a instalação ou configuração de cada software, realizaram-se testes de execução. Somente após o ambiente totalmente pronto é que realizaram-se os testes de desempenho, para medir o desempenho do ambiente. A seção 2.1 apresenta as ferramentas que serão utilizadas neste trabalho para a implementação do ambiente de alto desempenho. 2.1 Softwares Apache HTTP Server O Apache é um servidor web HTTP que visa à criação de aplicações comerciais com códigos robustos (ENGELSCHALL, 2000 p. 22). Atualmente, o Apache é o servidor mais utilizado no mundo, com 62.71% domínios existentes (COWNIE, 2011) e é distribuído para várias plataformas, entre elas Windows, Linux e Mac OS. A Figura 17 monstra o fluxo de uma requisição ao servidor que utiliza Apache. Figura 17: Ambiente web convencional com o Apache A Figura 17 monstra um exemplo da estrutura de um ambiente web convencional. Neste caso utilizou-se o Apache como exemplo de servidor web. A seguir é apresentado a explicação de cada passo: 1. O cliente, por meio do navegador web, faz uma requisição a um Apache; 54 NEVES JUNIOR, V. C., SOUZA, J. G. Criação de um Ambiente Web de Alto Desempenho para o Portal do CEULP/ULBRA. In: CEULP_ULBRA.pdf

3 2. O Apache verifica se a página solicitada é PHP, caso for, envia a solicitação ao interpretador PHP, que irá processar a página. Em uma situação de exemplo, se a página necessitar da utilização de banco de dados, o passo 3 é realizado, senão o passo 5 é realizado; 3. O PHP faz uma requisição ao banco de dados, que irá processar a requisição; 4. O banco de dados retorna o resultado ao PHP; 5. O interpretador do PHP renderiza a página em formato texto (geralmente HTML) e retorna ao Apache; 6. O Apache retorna a página ao navegador do cliente; 7. Para cada imagem, arquivos Javascript e CSS utilizados na página, são feitas novas requisições ao servidor; 8. O Apache retorna os arquivos de imagem, Javascript e CSS ao navegador do cliente. Este processo não ocorre apenas com o Apache, mas sim com todos servidores web HTTP que interpretam código de linguagem de programação do lado do servidor Nginx HTTP Server O Nginx (Engine X) é um servidor web HTTP, de proxy reverso e servidor de IMAP/POP3, criado por Igor Sysoev para servir o Rambler (NGINX, 2011), um site Russo que recebeu, só em setembro de 2008, mais de 500 milhões de requisições por dia (NEDELCU, 2010 p. 1). Servidores como o Nginx, devido à sua natureza e reputação de serem mais rápidos para arquivos estáticos, são frequentemente utilizados como "servidores de apoio" para domínios maiores, servindo apenas arquivos estáticos, como vídeos, imagens, CSS e Javascript (PADILLA, 2010 p. 134) Memcached O Memcached é um sistema de cache em memória distribuída, destinado a ser utilizado para acelerar aplicações web dinâmicas, aliviando a carga do banco de dados (MEMCACHED, 2011). Seu armazenamento é baseado em chave/valor, similar ao hash ou à matriz associativa disponível em várias linguagens (NEDELCU, 2010 p. 176). Atualmente tem amplo uso em aplicações web importantes, como Wikipedia, Flickr, Twitter e YouTube (VALDETARO, 2010), só para citar algumas Alternative PHP Cache O APC (Alternative PHP Cache) é uma extensão PECL (PHP Extension Community Library) que armazena os arquivos PHP mais acessados em formato opcode para execução mais rápida, reduzindo assim a carga da CPU no servidor web (ABDUSSAMAD, 2009), pois redireciona as solicitações PHP para o opcode em cache (PADILLA, 2010 p. 86). A ideia por trás do caching opcode é compilar o código fonte na primeira execução, e executar somente o código compilado depois disso (MATT, 2010). NEVES JUNIOR, V. C., SOUZA, J. G. Criação de um Ambiente Web de Alto Desempenho para o Portal do CEULP/ULBRA. In: CEULP_ULBRA.pdf. 55

4 3 Resultados e Discussão Nesta seção é apresentando o processo de criação da infraestrutura de alto desempenho utilizando as ferramentas apresentadas na seção anterior, além de testes e análises de desempenho com o ambiente não otimizado e otimizado. 3.1 Arquitetura de Alto Desempenho para Web Com a utilização dos softwares apresentados na seção anterior podem ser feitas alguns ambientes de alto desempenho. Estes ambientes podem variar de acordo com a configuração e com o fluxo em que são montados. Neste trabalho, serão apresentadas três formas comumente utilizadas: Servidor de Arquivos Estáticos; Servidor com Cache; Servidor Ideal Servidor de Arquivos Estáticos No servidor de Arquivos Estáticos, serão montados dois servidores, um com o Apache, que responderá como servidor principal, outro com o Nginx, que servirá apenas requisições feitas aos arquivos estáticos. Na Figura 18 é mostrado o fluxo de uma requisição utilizando os dois servidores: Figura 18: Ambiente web com Apache e Nginx Na Figura 18 as requisições as páginas são feitas para o servidor Apache e somente as requisições de arquivos estáticos vão para o Nginx. Mesmo a imagem ilustrando os servidores em computadores separados, o Apache e Nginx podem estar executando na mesma máquina, em IPs, domínios ou portas diferentes, como é o caso, em que o Nginx responderia da porta 8099 e o Apache, na 80. O fluxo é semelhante ao da Figura 17, mudando apenas os passos 7 e 8: 7. Para cada imagem, Javascript e CSS utilizados na página, são feitas requisições ao Nginx, configurado para responder na porta 8099; 8. O Nginx retorna os arquivos de imagem, Javascript e CSS ao navegador do cliente. 56 NEVES JUNIOR, V. C., SOUZA, J. G. Criação de um Ambiente Web de Alto Desempenho para o Portal do CEULP/ULBRA. In: CEULP_ULBRA.pdf

5 3.1.2 Servidor com Cache Um mecanismo de armazenamento de cache é fundamental para aplicações de alta carga. O truque para o ganho de desempenho é encontrar a combinação correta das políticas de granularidade e expiração e decidir quais os conteúdos para o cache (SCHWARTZ, 2008). O uso incorreto do Memcached pode prejudicar a aplicação em termos de utilização. Por exemplo, uma página com poucas atualizações, diariamente ou semanalmente, pode ficar mais tempo no cache, um dia. Já página frequentemente atualizadas, como uma lista das últimas notícias, deve ficar apenas alguns minutos no cache, assim, se uma nova notícia for publicada, em alguns minutos a página será gerada novamente contendo informações dessa notícia. A Figura 19 apresenta o fluxo de um servidor utilizando Memcached: Figura 19: Ambiente web utilizando Memcached A Figura 19 mostra a utilização do Memcached no ambiente web. Neste caso não foi especificado o servidor web, pois existem vários com suporte ao Memcached, como o Apache e o Nginx. A explicação do fluxo passo a passo: 1. O cliente faz uma requisição ao servidor; 2. O servidor envia a solicitação ao interpretador PHP. Caso a aplicação necessite de banco, o passo 3a é realizado, caso contrário, o passo 3b; 3. Esse passo é executado de duas formas: a. A aplicação PHP verifica se existe o resultado da consulta SQL em cache. O passo 4 é realizado; b. A aplicação PHP grava a página renderizada no Memcached. O passo 7 é realizado; 4. O Memcached retorna o resultado da consulta SQL. Caso não tenha a consulta em memória, o passo 5 é realizado, no contrário o passo 3b é realizado; 5. A aplicação PHP realiza a consulta ao banco de dados; 6. O banco de dados retorna o resultado da consulta ao PHP; NEVES JUNIOR, V. C., SOUZA, J. G. Criação de um Ambiente Web de Alto Desempenho para o Portal do CEULP/ULBRA. In: CEULP_ULBRA.pdf. 57

6 7. O interpretador do PHP retorna a página renderizada ao servidor; 8. O servidor retorna a página renderizada ao navegador do cliente Servidor Ideal Tendo como ideal, de acordo com a proposta deste trabalho, um ambiente com o funcionamento em conjunto do Apache, Nginx, Memcache e otimização do PHP com APC, a Figura 20 ilustra a arquitetura deste ambiente: Figura 20: Ambiente web utilizando Apache, Nginx e Memcached A Figura 20 ilustra o ambiente que foi instalado, o Nginx respondendo na porta principal e repassando as requisições PHP para o Apache. Os passos são os seguintes: 1. O cliente, por meio do navegador web, faz a requisição ao servidor Nginx; 2. O Nginx verifica se existe cache da página solicitada; 3. O Memcached retorna ao Nginx. Caso exista o cache, o passo 12 é executado; 4. O Nginx envia a requisição ao Apache; 5. O Apache envia a solicitação ao interpretador PHP; 6. O interpretador PHP busca no APC o código fonte em formato opcode; 7. O APC retorna o código fonte para o interpretador PHP. Caso a aplicação necessite de banco, o passo 8a é realizado, caso contrário o passo 8b é realizado; 8. Esse passo é executado de duas formas: a. A aplicação PHP verifica se existe o resultado da consulta SQL em cache. O passo 9 é realizado; b. A aplicação PHP grava a página gerada no Memcached. O passo 12 é realizado; 9. O Memcached retorna o resultado da consulta SQL. Caso não tenha a consulta em memória, o passo 10 é realizado, no contrário o passo 8b é realizado; 58 NEVES JUNIOR, V. C., SOUZA, J. G. Criação de um Ambiente Web de Alto Desempenho para o Portal do CEULP/ULBRA. In: CEULP_ULBRA.pdf

7 4 Testes 10. A aplicação PHP realiza a consulta ao banco de dados; 11. O banco de dados retorna o resultado da consulta ao PHP; 12. O interpretador do PHP retorna a página gerada ao Apache; 13. O Apache retorna a página gerada ao Nginx; 14. O Nginx retorna a página gerada ao navegador do cliente; 15. Para cada imagem, Javascript e CSS utilizados na página, são feitas novas requisições ao servidor; 16. O Nginx não repassa esse arquivos ao Apache, apenas retorna os arquivos de imagem, Javascript e CSS ao navegador do cliente. Para realização dos testes, foram utilizadas duas máquinas: uma como cliente e outra com o servidor. No computador cliente, que possui o processador Intel Core i3 M GHz, memória RAM de 3 GB e sistema operacional Linux Ubuntu 11.04, foi instalada a ferramenta Apache Benchmark, específica para testes. O servidor possui processador Intel Xeon E GHz 2.49 GHz (2 processadores), memória RAM de 8 GB e sistema operacional Windows Server Enterprise. Foram realizados dois testes: o primeiro, com base na quantidade de requisições, o segundo, com base em um período de tempo. Cada teste foi realizado também com duas configurações: um ambiente sem otimizações (conforme a estrutura atual do Portal do CEULP) e um ambiente com as otimizações propostas neste trabalho. 4.1 Teste de Estresse Pelo computador cliente foram realizadas 200 requisições assíncronas à página inicial do Portal, com máximo de 10 conexões simultâneas. Foram realizados dois testes, um com a arquitetura web antiga do portal, que usava o modelo Ambiente Convencional, Figura 17, o outro com o Servidor Ideal, Figura 20. No primeiro teste, com Ambiente Convencional, sem utilizar sequer uma das técnicas apresentadas, o Apache Benchmark realizou 200 requisições na página inicial do Portal (http://ulbra-to.br), que realizou várias consultas no banco de dado SQLSERVER para cada requisição. Obteve-se um tempo de 40 segundos para realizar todas as requisições, sendo que 2,5% delas tiveram uma variação no tamanho da resposta. No segundo teste montou-se então a arquitetura web proposta, como foi apresentado na seção Servidor Ideal, instalou-se e configurou-se, também, o Memcached e o APC. O ganho de desempenho foi quase 10 vezes maior, devido, principalmente, à quantidade de requisições ao banco de dados presente página, que antes para cada requisição eram realizadas 13 consultas no banco de dados, nessa segunda forma, apenas na primeira requisição ao site que foram realizadas essas 13 consultas, nas demais, as consultas eram realizadas na memória por meio do Memcached. Para realizar o teste de estresse com 200 requisições, agora foram apenas 4 segundos. 4.2 Segundo Teste Realizou-se, também, teste de utilização dos recursos do servidor, levando em consideração os seguintes itens: NEVES JUNIOR, V. C., SOUZA, J. G. Criação de um Ambiente Web de Alto Desempenho para o Portal do CEULP/ULBRA. In: CEULP_ULBRA.pdf. 59

8 Processamento; Memória RAM; Leitura e gravação em disco; Quantidade conexões; Bytes enviados através da interface rede. Utilizou-se, novamente, o Apache Benchmark para realizar requisições ao servidor durante 1 minuto, podendo ser até 50 requisições simultâneas. No primeiro teste, utilizou-se a arquitetura atual do Portal, sem otimização. A Figura 21 mostra o gráfico de uso do computador. Figura 21: Gráfico de utilização do servidor sem otimização Na Figura 21 ocorre uma oscilação muito grande na maioria das linhas, por exemplo, a linha que mostra o uso do CPU, que oscila entre 20% e 40%, o mesmo acontece com a saída de dados. Há uma oscilação entre 10% e 100% na gravação em disco. Aplicou-se o teste novamente, desta vez com o servidor otimizado de acordo com o Servidor Ideal. A Figura 22 mostra o consumo dos recursos, o mesmo do teste anterior, no servidor. 60 NEVES JUNIOR, V. C., SOUZA, J. G. Criação de um Ambiente Web de Alto Desempenho para o Portal do CEULP/ULBRA. In: CEULP_ULBRA.pdf

9 Figura 22: Gráfico de utilização do servidor com o ambiente proposto Na Figura 22 a utilização da memória e processamento é menor, mesmo com a quantidade de conexões (linha pontilhada) superior, variação entre 40% e 90%, em relação à Figura 21, que usou 100% da rede no envio de dados. A Figura 23 apresenta uma comparação de requisições entre os dois testes. Figura 23: Gráfico de comparação entre as requisições Na Figura 23 a quantidade de requisições feitas pelo Apache Benchmark no tempo de 1 minuto no servidor otimizado é quase 10 vezes maior em relação ao servidor normal. Para cada requisição no servidor otimizado levou-se em média 959 milissegundos (0,95 segundos), contra milissegundos (7,63 segundos) do servidor sem otimização. 5 Considerações Finais No decorrer do desenvolvimento deste trabalho observou-se que a utilização dos servidores sem otimização demanda em uma perda de desempenho, levando mais tempo para carregar as páginas e suportando um número de usuários conectados, de acordo co testes realizados, até dez vezes menor. Com isso, pode-se observar a importância da NEVES JUNIOR, V. C., SOUZA, J. G. Criação de um Ambiente Web de Alto Desempenho para o Portal do CEULP/ULBRA. In: CEULP_ULBRA.pdf. 61

10 utilização de tecnologias que possam proporcionar a otimização do ambiente web, e o quanto de desempenho e processamento pode-se ganhar com isso. Uma das dificuldades obtidas no decorrer do desenvolvimento deste trabalho foi com relação aos conteúdos existentes sobre o assunto, que por ser novo, não dispõe de muito material para consulta. A maioria dos materiais encontrados não estavam completos, principalmente com relação à utilização do Memcached no código PHP, que deve gravar a página para que o Nginx possa lê-la. Com os resultados obtidos nos dois tipos de testes realizados, pode-se concluir que a utilização de técnicas de otimização do ambiente web melhorou em até 10 vezes o desempenho no servidor, com isso, utilizando menos processamento, memória, acesso a disco e ganhando mais velocidade no carregamento das páginas, além de atender mais usuários simultaneamente. 6 Referências Bibliográficas ABDUSSAMAD, Reduce CPU load with Alternative PHP Cache «Abdussamad.com. Disponível online: Último acesso em: 20/05/2011. APACHE, About the Apache HTTP Server Project - The Apache HTTP Server Project. Disponível online: Último acesso em: 03/04/2011. COWNIE, Jennifer. June 2011 Web Server Survey Netcraft. Disponível online: Último acesso em: 11/06/2011. ENGELSCHALL, Ralf S. Apache Desktop Reference. United States: Addison-Wesley, p. MATT, Alternative PHP Cache Matt s Blog. Disponível em: Último acesso em: 01/06/2011. NEDELCU, Clément. Nginx HTTP Server. Adopt Nginx for your web applications to make the most of your infrastructure and serve pages faster than ever. Birmingham: Packt Publishing, p. NGINX, NGINX. Disponível online: Último acesso em: 03/04/2011. PADILLA, Armand; Hawkins, Tim. Pro PHP Application Performance. Tuning PHP Web Projects for Maximum Performance. New York: Apress, p. VALDETARO, Magno, Design Kamikaze - Como o Facebook escala utilizando open source. Disponível online em: Último acesso em: 21/06/ NEVES JUNIOR, V. C., SOUZA, J. G. Criação de um Ambiente Web de Alto Desempenho para o Portal do CEULP/ULBRA. In: CEULP_ULBRA.pdf

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