Nginx负载均衡

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本文最新更新于2016.11.01

一 特点

1.1 应用情况

Nginx做为一个强大的Web服务器软件，具有高性能、高并发性和低内存占用的特点。此外，其也能够提供强大的反向代理功能。俄罗斯大约有超过20%的虚拟主机采用Nginx作为反向代理服务器,在国内也有腾讯、新浪、网易等多家网站在使用Nginx作为反向代理服务器。据Netcraft统计，世界上最繁忙的网站中有11.48%使用Nginx作为其服务器或者代理服务器。基于反向代理的功能，Nginx作为负载均衡主要有以下几点理由：

  1. 高并发连接
  2. 内存消耗少
  3. 配置文件非常简单
  4. 成本低廉
  5. 支持Rewrite重写规则
  6. 内置的健康检查功能
  7. 节省带宽
  8. 稳定性高

    1.2 架构

    image.png
    上图为来自官方的一张总体架构图。
    nginx在启动后，会以daemon的方式在后台运行，后台进程包含一个master进程和多个worker进程。工作进程以非特权用户运行。
    master进程主要用来管理worker进程，包含：接收来自外界的信号，向各worker进程发送信号，监控worker进程的运行状态，当worker进程退出后(异常情况下)，会自动重新启动新的worker进程。
    worker进程则是处理基本的网络事件。多个worker进程之间是对等的，他们同等竞争来自客户端的请求，各进程互相之间是独立的。一个请求，只可能在一个worker进程中处理，一个worker进程，不可能处理其它进程的请求。
    开发模型：epoll和kqueue。
    支持的事件机制：kqueue、epoll、rt signals、/dev/poll 、event ports、select以及poll。
    支持的kqueue特性包括EV_CLEAR、EV_DISABLE、NOTE_LOWAT、EV_EOF，可用数据的数量，错误代码.
    支持sendfile、sendfile64和sendfilev;文件AIO；DIRECTIO;支持Accept-filters和TCP_DEFER_ACCEP.

    1.3 性能

    Nginx的高并发，官方测试支持5万并发连接。实际生产环境能到2-3万并发连接数。10000个非活跃的HTTP keep-alive 连接仅占用约2.5MB内存。三万并发连接下，10个Nginx进程，消耗内存150M。淘宝tengine团队说测试结果是“24G内存机器上，处理并发请求可达200万”。

    二 负载均衡

    2.1 协议支持

    Nginx工作在网络的7层，可以针对http应用本身来做分流策略。支持七层HTTP、HTTPS协议的负载均衡。对四层协议的支持需要第三方插件-yaoweibin的ngx_tcp_proxy_module实现了tcp upstream。
    github.com/yaoweibin/n…
    此外，nginx本身也逐渐在完善对其他协议的支持：
  • nginx 1.4.0对Websocket和SPDY都做了正式的支持。
  • nginx 1.6.0对SPDY 3.1的正式支持
  • nginx 1.10.0正式支持HTTP/2

目前，nginx最新稳定版为1.10.2，主线开发版本已经到了1.11.5。Tengine最新版本则继承到了nginx的1.6.2版本。

2.2 均衡策略

nginx的负载均衡策略可以划分为两大类：内置策略和扩展策略。内置策略包含加权轮询和ip hash，在默认情况下这两种策略会编译进nginx内核，只需在nginx配置中指明参数即可。扩展策略有很多，如fair、通用hash、consistent hash等，默认不编译进nginx内核。

  1. 加权轮询（weighted round robin）轮询的原理很简单，首先我们介绍一下轮询的基本流程。如下是处理一次请求的流程图：image.png图中有两点需要注意，第一，如果可以把加权轮询算法分为先深搜索和先广搜索，那么nginx采用的是先深搜索算法，即将首先将请求都分给高权重的机器，直到该机器的权值降到了比其他机器低，才开始将请求分给下一个高权重的机器；第二，当所有后端机器都down掉时，nginx会立即将所有机器的标志位清成初始状态，以避免造成所有的机器都处在timeout的状态，从而导致整个前端被夯住。
  2. ip haship hash是nginx内置的另一个负载均衡的策略，流程和轮询很类似，只是其中的算法和具体的策略有些变化，如下图所示：image.pngip hash算法的核心实现如下： for(i = 0;i < 3;i++){ hash = (hash * 113 + iphp->addr[i]) % 6271; } p = hash % iphp->rrp.peers->number; 复制代码从代码中可以看出，hash值既与ip有关又与后端机器的数量有关。经过测试，上述算法可以连续产生1045个互异的value，这是该算法的硬限制。对此nginx使用了保护机制，当经过20次hash仍然找不到可用的机器时，算法退化成轮询。因此，从本质上说，ip hash算法是一种变相的轮询算法，如果两个ip的初始hash值恰好相同，那么来自这两个ip的请求将永远落在同一台服务器上，这为均衡性埋下了很深的隐患。
  3. fairfair策略是扩展策略，默认不被编译进nginx内核。其原理是根据后端服务器的响应时间判断负载情况，从中选出负载最轻的机器进行分流。这种策略具有很强的自适应性，但是实际的网络环境往往不是那么简单，因此要慎用。
  4. 通用hash、一致性hash这两种也是扩展策略，在具体的实现上有些差别，通用hash比较简单，可以以nginx内置的变量为key进行hash，一致性hash采用了nginx内置的一致性hash环，可以支持memcache。

  5. session_sticky此种策略就是一次会话内的请求都会落到同一个结点上。在做分布式架构时可以使用，但是当一个结点挂掉时，会话信息同时也会丢失,如果使用session同步方案同步session信息到所有结点的话代价又会很高，慎重使用此方案。nginx默认不支持此种策略，tengine提供了支持: tengine.taobao.org/document_cn….

    2.2 配置示例

  6. HTTP upstream upstream_test{ server 192.168.0.1:8080; server 192.168.0.2:8080; #ip_hash; keepalive 30; ## tengine config #check interval=300 rise=10 fall=10 timeout=100 type=http port=80; #check_http_send “GET / HTTP/1.0\r\n\r\n”; #check_http_expect_alive http_2xx http_3xx; ## tengine config #session_sticky cookie=cookieTest mode=insert; } location / { proxy_pass http://upstream_test; proxy_set_header Host $host; proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr; proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for; } 复制代码对于nginx更为具体的配置可参考：github.com/superhj1987…

  7. TCP - ngx_tcp_proxy_module tcp { upstream cluster { # simple round-robin server 192.168.0.1:8080; server 192.168.0.2:8080; check interval=3000 rise=2 fall=5 timeout=1000; #check interval=3000 rise=2 fall=5 timeout=1000 type=ssl_hello; #check interval=3000 rise=2 fall=5 timeout=1000 type=http; #check_http_send “GET / HTTP/1.0\r\n\r\n”; #check_http_expect_alive http_2xx http_3xx; } server { listen 8888; proxy_pass cluster; } } 复制代码

    三 动态负载均衡

    3.1 自身监控

    内置了对后端服务器的健康检查功能。如果Nginx proxy后端的某台服务器宕机了，会把返回错误的请求重新提交到另一个节点，不会影响前端访问。它没有独立的健康检查模块，而是使用业务请求作为健康检查，这省去了独立健康检查线程，这是好处。坏处是，当业务复杂时，可能出现误判，例如后端响应超时，这可能是后端宕机，也可能是某个业务请求自身出现问题，跟后端无关。

    3.2 可扩展性

    Nginx属于典型的微内核设计，其内核非常简洁和优雅，同时具有非常高的可扩展性。如下图所示：
    image.png
    Nginx是纯C语言的实现，其可扩展性在于其模块化的设计。目前，Nginx已经有很多的第三方模块，大大扩展了自身的功能。nginx_lua_module可以将Lua语言嵌入到Nginx配置中，从而利用Lua极大增强了Nginx本身的编程能力，甚至可以不用配合其它脚本语言（如PHP或Python等），只靠Nginx本身就可以实现复杂业务的处理。

    3.3 配置修改

    nginx的配置架构如下图所示：
    image.png
    Nginx支持热部署，几乎可以做到7*24不间断运行，即使运行数个月也不需要重新启动。能够在不间断服务的情况下，对软件版本进行进行升级。Nginx的配置文件非常简单，风格跟程序一样通俗易懂，能够支持perl语法。使用nginx –s reload可以在运行时加载配置文件，便于运行时扩容/减容。重新加载配置时，master进程发送命令给当前正在运行的worker进程worker进程接到命令后会在处理完当前任务后退出。同时，master进程会启动新的worker进程来接管工作。

    四 优势和劣势

    4.1 优势

  8. 可以很好地进行http 的头处理

  9. 对http协议以及https的良好支持
  10. 有足够的第三方插件供使用

  11. 支持热部署，更改后端是平滑的

    4.2 劣势

  12. 缺少对session的支持

  13. 对四层tcp的支持不够好
  14. post请求写文件系统，造成500 error
  15. 缺乏主动的后端服务器健康监测

  16. 默认的监控界面统计信息不全

    五 Tengine

    Tengine是淘宝基于nginx开源代码二次开发一款服务器软件，在继承了nginx的特性以外，提供了一些nginx商业版才有的功能。基本上同步于nginx的更新，目前最新的版本已经继承了nginx 1.6.2稳定版。

    5.1 特性

    tengine的特性包括但不限于：

  17. 更友好的运维信息显示

  18. 动态模块加载机制
  19. 自动根据CPU数目设置进程个数和绑定CPU亲缘性
  20. 更方便的命令行参数，如列出编译的模块列表、支持的指令等
  21. 更加强大的负载均衡能力，包括一致性hash模块、会话保持模块，还可以对后端的服务器进行主动健康检查，根据服务器状态自动上线下线
  22. 动态脚本语言Lua支持。扩展功能非常高效简单

  23. 输入过滤器机制支持。通过使用这种机制Web应用防火墙的编写更为方便

    5.2 负载均衡

    负载均衡方面，Tengine主要有以下几个特点，基本上弥补了nginx在负载均衡方面的欠缺：

  24. 支持一致性Hash模块

  25. 会话保持模块
  26. 对后端服务器的主动健康检查。
  27. 增加了请求体不缓存到磁盘的机制

原文：https://juejin.cn/post/6844903496131543053