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关于 Nginx 负载均衡,我想说两句!

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1

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:


  • 高并发连接

  • 内存消耗少

  • 配置文件非常简单

  • 成本低廉

  • 支持Rewrite重写规则

  • 内置的健康检查功能

  • 节省带宽

  • 稳定性高


1.2 架构



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”。


 

2

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。


https://github.com/yaoweibin/nginx_tcp_proxy_module


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。


  • 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:

 


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。


  • ip hash


ip 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:

 

ip 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;


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。


  • fair


fair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。


  • 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。


  • 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: http://tengine.taobao.org/document_cn/http_upstream_session_sticky_cn.html


2.2 配置示例


  • 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/1.0rnrn";
 #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;

 }


对于nginx更为具体的配置可参考:https://github.com/superhj1987/awesome-config/blob/master/nginx/nginx.conf


  • 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/1.0rnrn";
#check_http_expect_alive http_2xx http_3xx;
}


server {
listen 8888;
proxy_pass cluster;
}
}



3

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:



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:



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。



4

优势和劣势


4.1 优势


  • 可以很好地进行http 的头处理

  • 对http协议以及https的良好支持

  • 有足够的第三方插件供使用

  • 支持热部署,更改后端是平滑的


4.2 劣势


  • 缺少对session的支持

  • 对四层tcp的支持不够好

  • post请求写文件系统,造成500 error

  • 缺乏主动的后端服务器健康监测

  • 默认的监控界面统计信息不全



5

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:


  • 更友好的运维信息显示

  • 动态模块加载机制

  • 自动根据CPU数目设置进程个数和绑定CPU亲缘性

  • 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

  • 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

  • 动态脚本语言Lua支持。扩展功能非常高效简单

  • 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:


  • 支持一致性Hash模块

  • 会话保持模块

  • 对后端服务器的主动健康检查。

  • 增加了请求体不缓存到磁盘的机制


来源:juejin.cn/post/6844903496131543053


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