干货 | Nginx负载均衡原理及配置实例

vlambda
2020-05-01

干货 | Nginx负载均衡原理及配置实例

Nginx系列导读

前言

nginx

Nginx是一款高性能的http 服务器/反向代理服务器及电子邮件（IMAP/POP3）代理服务器。官方测试nginx能够支撑5万并发连接，并且cpu、内存等资源消耗却非常低，运行非常稳定。

负载均衡

什么是负载均衡，单从字面理解可以解释为N台服务器平均分担负载，不会因为某台服务器负载高宕机而出现某台服务器闲置的情况。那么负载均衡的前提就是要有多台服务器才能实现，目的是达到整个系统的高性能和高可用性。

1、Nginx负载均衡介绍

反向代理与负载均衡概念简介

严格地说，Nginx仅仅是作为Nginx Proxy反向代理使用的，因为这个反向代理功能表现的效果是负载均衡集群的效果，所以本文称之为Nginx负载均衡。那么，反向代理和负载均衡有什么区别呢？

普通负载均衡软件，例如大名鼎鼎的LVS，其实功能只是对请求数据包的转发（也可能会改写数据包）、传递。其中DR模式明显的特征是：从负载均衡下面的节点服务器来看，接收到的请求还是来自访问负载均衡器的客户端的真实用户。
而反向代理就不一样了，反向代理接收访问用户的请求后，会代理用户重新发起请求代理下的节点服务器，最后把数据返回给客户端用户，在节点服务器看来，访问的节点服务器的客户端用户就是反向代理服务器了，而非真实的网站访问用户。
一句话，LVS等的负载均衡是转发用户请求的数据包，而Nginx反向代理是接收用户的请求后，会代理用户重新发起请求代理下的节点服务器。

2、Nginx负载均衡组件模块

实现Nginx负载均衡的组件主要有两个：

ngx_http_upstream_module

负载均衡模块，可以实现网站的负载均衡功能及节点的健康检查
ngx_http_proxy_module

proxy代理模块，用于把请求转发给服务器节点或upstream服务器池

2.1、upstream模块

（1）upstream模块介绍

upstream模块允许Nginx定义一组或多组节点服务器组，使用时可以通过proxy_pass代理方式把网站的请求发送到事先定义好的对应upstream组的名字上，具体写法为：

proxy_pass http://server_pools

其中server_pools就是一个upstream节点服务器组名字。

（2）upstream配置案例

 范例1：基本的upstream配置案例：

upstream server_pools {

# upstream是关键字必须有，后面的server_pools是upstream集群组的名字，可自定义名称，调用时就用这个名字。

server 192.168.1.251:80 weight=5;
server 192.168.1.252:80 weight=10;
server 192.168.1.253:80 weight=15;


# server关键字是固定的，后面可以接域名或IP。如果不指定端口，默认是80端口。weight代表权重，数值越大被分配的请求越多。

}

范例2：较完整的upstream配置案例：

upstream blog__pools {

server 192.168.0.223;   #这行标签和下行是等价的
server 192.168.0.224:80 weight=1 max_fails=1 fail_timeout=10s;       #这行标签和上一行是等价的，此行多余的部分就是默认配置，不写也可以。

server 192.168.0.225:80 weight=1 max_fails=2 fail_timeout=20s backup;

#   server最后面可以加很多参数，具体参数作用看下文

}

（3）upstream模块参数

server

负载后面的RS配置，可以是ip或者域名。

weight

请求服务器的权重。默认值为1，越大表示接受的请求比例越大。

max_fails

nginx 尝试连接后端主机失败的次数。

这个数值需配合proxy_net_upstream，fastcgi_next_upstream和memcached_next_upstream这三个参数来使用的。

当nginx接收后端服务器返回这三个参数定义的状态码时，会将这个请求转发给正常工作的后端服务器，例如404，502，503

fail_timeout

在max_fails定义的失败次数后，距离下次检查的时间间隔，默认10s

backup

热备配置，标志这台服务器作为备份服务器，若主服务器全部宕机了，就会向它转发请求

down

表示这个服务器永不可用，可配合ip_hash使用

范例：

upstream web_pools {

server linux.example.com weight=5;
server 127.0.0.1:8080 max_fail=5 fail_timeout=10s;
# 当5次连续检查失败后，间隔10s后重新检测。
server linux.example.com:8080 backup;
# 指定备份服务器。作用：等上面服务器全部不可访问时就向它转发请求。

}

2.2、http_proxy_module模块

（1）proxy_pass指令介绍

proxy_pass指令属于ngx_http_proxy_module模块，此模块可以将请求转发到另一台服务器上。在实际的反向代理工作中，会通过location功能匹配指定的URI，然后把接收到的符合匹配URI的请求通过proxy_pass抛给定义好的upstream节点池。

location内容，参考：

（2）proxy_pass的使用案例

location /web/ {

proxy_pass http://127.0.0.1/abc/;

}

将匹配URI为web的请求抛给http://127.0.0.1/abc/

（3）http proxy模块参数

proxy_set_header

client_body_buffer_size

用于指定客户端请求主题缓冲区大小

proxy_connect_timeout

表示反向代理与后端节点服务器连接的超时时间，即发起握手等候响应的超时时间

proxy_send_timeout

表示代理后端服务器的数据回传时间，即在规定时间之内，后端服务器必须传完所有的数据，否则，nginx将断开这个连接

proxy_read_timeout

设置nginx从代理的后端服务器获取信息的时间，表示连接建立成功后，nginx等待后端服务器的响应时间，其实是nginx在后端排队等候处理的时间

proxy_buffer_size

设置缓冲区大小，默认该缓冲区大小等于指令proxy_buffers设置的大小

proxy_buffers

设置缓冲区的数量和大小，nginx从代理的后端服务器获取的响应信息，会放置在缓冲区

proxy_busy_buffers_size

用于设置系统很忙时可以使用的proxy_buffers大小，官方推荐的大小为proxy_bufer*2

proxy_temp_file_write_size

指定proxy缓存临时文件的大小

3、Nginx负载均衡调度算法

（1）rr轮询（默认）

默认调度算法，按照客户端请求逐一分配到不同的后端服务器，宕机的服务器会自动从节点服务器池中剔除。

upstream server_pools {
    server 192.168.1.251;
    server 192.168.1.252;
    }

注意：对于服务器性能不同的集群，该算法容易引发资源分配不合理等问题。

（2）wrr加权轮询（weight）

在rr轮询算法的基础上加上权重，权重和用户访问成正比，权重值越大，被转发的请求也就越多

upstream server_pools {
    server 192.168.1.251 weight=5;
    server 192.168.1.252 weight=10;
}

加权轮询应用于服务器性能不等的集群中，使资源分配更加合理化。

（3）ip_hash（会话保持）

每个请求按访问 IP 的hash结果分配，每个访客固定访问一个后端服务器，可解决session不共享的问题。

upstream server_pools {
    ip_hash;
    server 192.168.1.251;
    server 192.168.1.252;
    }

Session 不共享是说，假设用户已经登录过，此时发出的请求被分配到了 A 服务器，但 A 服务器突然宕机，用户的请求则会被转发到 B 服务器。但由于 Session 不共享，B 无法直接读取用户的登录信息来继续执行其他操作。

（4）fair（动态调度算法）

根据后端节点服务器的响应时间来分配请求，响应时间短的优先分配。

upstream server_pools {
    server 192.168.1.251;
    server 192.168.1.252;
    fair;
    }

这是更加智能的调度算法，但Nginx本身不支持fair调度算法。如果需要使用fair调度，必须下载Nginx相关模块upstream_fair。

（5）url_hash算法(web缓存节点)

根据访问URL的hash结果来分配请求，让每个URL定向到同一个后端服务器。

upstream server_pools {

server qll:9001;
server qll:9002;
hash $request_uri;
hash_method crc32;

}

同样，Nginx本身是不支持url_hash，如果需要使用这种调度算法，必须安装Nginx的hash模块软件包。

4、Nginx负载均衡配置实例

（1）实现效果

（2）准备工作

a）准备3台nginx服务器，如下：

主机名	IP地址	角色说明
web01	10.43.187.251	nginx web01服务器
web02	10.43.187.252	nginx web01服务器
lb	10.43.187.253	nginx 负载均衡服务器

b）三台服务器均安装nginx

安装nginx，参考:

c）配置用于测试的Web服务

注意：本小节是在两台Nginx Web服务器上操作

[root@web01 nginx]# cat conf/nginx.conf
worker_processes  1;
events {
    worker_connections  1024;
}
http {
    include       mime.types;
    default_type  application/octet-stream;
    sendfile        on;
    keepalive_timeout  65;
    
    server {
        listen       80;
        server_name  localhost;
        location / {
            root   html/www;
            index  index.html index.htm;
        }
	access_log logs/access_www.log main;
    }

}

创建测试文件数据

[root@web01 ~]# cd /usr/local/nginx/html/
[root@web01 html]# mkdir www
[root@web01 www]# echo "`hostname -I` www" > index.html

查看创建的文件内容：
[root@qll251 www]# cat index.html
10.43.187.251 www

别忘记启动nginx服务哦

d）配置nginx 负载均衡服务器

[root@lb01 nginx]# cat conf/nginx.conf
worker_processes  1;
events {
    worker_connections  1024;
}
http {
    include       mime.types;
    default_type  application/octet-stream;
    sendfile        on;
    keepalive_timeout  65;
    upstream www_server_pools {         #这里定义Web服务器池，包含了251，252两个Web节点

	server 10.43.187.251:80 weight=1;

	server 10.43.187.252:80 weight=1;

	}
    server {            #这里定义代理的负载均衡域名虚拟主机
        listen       80;
        server_name  www.qll.com;
        location / {
		proxy_pass http://www_server_pools;     #访问www.qll.com,请求发送给www_server_pools里面的节点
        }
    }
}

e）域名解析

由于不是真实环境，域名使用www.qll.com用作测试，所以www.qll.com的解析只能在hosts文件设置。

打开：

C:\Windows\System32\drivers\etc\hosts

在末尾添加:

10.43.187.253 www.qll.com

（3）测试验证

打开浏览器访问www.qll.com，不断刷新会发现所有请求被负载均衡器（10.43.187.253）均分配到web01（10.43.187.251）和web02（10.43.187.252）上，实现了负载均衡的效果。

结语

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