Nginxのアーキテクチャ、動作、および基本設定

Nginx（Engine X）は、Igor Sysoevによって2004年に開発されたオープンソースのHTTPウェブサーバーで、C10k問題（10,000の同時接続を処理する問題）を解決するために作られました。現在、Nginxは単なるウェブサーバーではなく、強力なリバースプロキシ、ロードバランサー、HTTPキャッシュとしても利用されています。

1. Nginxの概要

• Nginxは、HTTPウェブサーバー、リバースプロキシ、ロードバランサー、コンテンツキャッシュ、TCP/UDPプロキシサーバー、メールプロキシサーバーです。
• 柔軟性、優れたパフォーマンス、安定性、リソース消費の低さ、シンプルな設定が特徴です。
• イベント駆動型とノンブロッキングI/Oのメカニズムにより、同時に何千もの接続を効率的に処理します。

2. Nginxアーキテクチャの主要コンポーネント

Nginxアーキテクチャの主要コンポーネント

Masterプロセス:

• Nginxのライフサイクル全体を管理します。
• 設定ファイル（nginx.conf）を読み取り、検証します。
• ワーカープロセスを作成し、起動します。
• システムからのシグナル（再起動、リロード、停止など）を処理します。
• クライアントからのリクエストは直接処理しません。

ワーカープロセス:

• クライアントからのリクエストを処理し、静的コンテンツを提供するか、バックエンドにリクエストを転送します。
• 独立して動作し、イベント駆動型で複数の接続を同時に処理します。
• worker_processesの数は、通常CPUコアの数と一致させてリソースを最大限に活用します。

キャッシュローダープロセス（オプション）:

• 再起動時にディスクからメモリにキャッシュコンテンツをロードします。

キャッシュマネージャープロセス（オプション）:

• キャッシュのサイズ管理と定期的なクリーンアップを行います。

3. ワーカープロセスの動作

ワーカープロセスはイベント駆動型モデルに従い、epoll（Linux）などのメカニズムを使用して、単一のスレッドで複数の接続を同時に処理します。

A. 初期化とイベント待機

初期化：Masterプロセスによって作成された後、ワーカープロセスはNginxの設定ファイルから情報を読み取り、イベントループを設定して新しい接続、I/Oリクエスト、または処理が必要なタスクを監視します。

イベント待機：ワーカープロセスは、（新しい接続、データの受信、データの書き込み完了など）監視すべきイベントをepollメカニズムを使ってシステムに登録します。

B. 接続の処理

epollからのイベント受信：新しいリクエストがクライアントから送信されると、epollはワーカープロセスに通知し、ワーカープロセスはそのイベントを即座に処理します。

接続はブロックしない：ワーカープロセスは、データまたはリソースを待っているときにブロックしません。もしデータがまだ準備できていない場合（例：リクエストのボディが完全に読み込まれていない場合）、ワーカープロセスは一時停止し、他の接続を処理します。

並列処理：各ワーカープロセスは1つのスレッドで実行されますが、イベントループ内でイベントを切り替えながら、何千もの接続を同時に処理することができます。

C. リクエストの処理

リクエスト解析：HTTPリクエストの解析（ヘッダー、メソッド、URLなど）を行い、設定ファイルに基づいて適切な処理を実行します。

タスクの実行：静的コンテンツの提供、バックエンドサーバーへのリクエストプロキシ、またはSSL/TLSの処理を行います。

D. レスポンスの送信

レスポンスの準備：HTTPレスポンスを作成し、ステータスコード、ヘッダー、ボディを設定します。

レスポンスの送信：データをソケット経由で書き込むか、データが大きい場合はチャンク化して送信します。

E. 接続の終了または保持

処理が完了した後、ワーカープロセスは次のリクエストがない場合接続を閉じるか、HTTP keep-aliveが有効であれば接続を保持します。

4. ワーカープロセスの設定

A. ワーカープロセスの設定

設定ファイル：/etc/nginx/nginx.conf（通常、このファイルは/usr/local/nginx/confや/etc/nginx、または/usr/local/etc/nginxにあります）。

worker_processesディレクティブを使って設定（デフォルトはauto = CPUコア数）。

例：

worker_processes auto;

B. ワーカー接続数

各ワーカープロセスは複数の接続を同時に処理できます。

最大同時接続数はworker_connectionsディレクティブで設定します。

例：

worker_connections 1024;

最大接続数の計算式：
最大接続数 = worker_processes × worker_connections

例：

• worker_processes 4;
• worker_connections 1024;
• 最大接続数 = 4 × 1024 = 4096接続。

C. epollの使用（Linux特有）

Linuxシステムでは、イベント処理のパフォーマンスを最適化するためにepollメカニズムを有効にすることをお勧めします。

例：

use epoll;

D. CPUアフィニティ

各ワーカープロセスが特定のCPUコアを使用するように指定して、コンテキストスイッチのコストを削減します。

例：

worker_cpu_affinity auto;

5. 結論

Nginxは、イベント駆動型アーキテクチャと優れた同時接続処理能力を持ち、以下に適しています：

• ウェブサーバー（静的コンテンツ）。
• リバースプロキシサーバー。
• ロードバランサーとキャッシュ管理。
• マイクロサービスアーキテクチャのゲートウェイ。

Nginxのアーキテクチャを理解し、設定を最適化することで、パフォーマンスを向上させ、リソースを削減し、大規模なウェブアプリケーションにおけるシステムの安定性を確保できます。

アドバイス： Nginxを使用している場合、パフォーマンスの監視とチューニングは重要です。Nginx Amplifyや、Prometheus + Grafanaなどのツールが役立ちます。

参考文献：

• Explaining Nginx Internal Architecture
• Inside Nginx: How We Designed for Performance & Scale

Nguyễn Thị Mỹ Phương Developer