Nginx负载均衡

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负载均衡概述

早期的网站流量和业务功能都比较简单,单台服务器足以满足基本的需求,但是随着互联网的发展,业务流量越来越大并且业务逻辑也跟着越来越复杂,单台服务器的性能及单点故障问题就凸显出来了,因此需要多台服务器进行性能的水平扩展及避免单点故障出现。那么如何将不同用户的请求流量分发到不同的服务器上呢?

Nginx负载均衡

Nginx负载均衡

负载均衡的原理及处理流程

系统的扩展可以分为纵向扩展和横向扩展。

纵向扩展是从单机的角度出发,通过增加系统的硬件处理能力来提升服务器的处理能力

横向扩展是通过添加机器来满足大型网站服务的处理能力。

Nginx负载均衡

Nginx负载均衡

这里面涉及到两个重要的角色分别是"应用集群"和"负载均衡器"。

应用集群:将同一应用部署到多台机器上,组成处理集群,接收负载均衡设备分发的请求,进行处理并返回响应的数据。

负载均衡器:将用户访问的请求根据对应的负载均衡算法,分发到集群中的一台服务器进行处理。

负载均衡的作用

1、解决服务器的高并发压力,提高应用程序的处理性能。

2、提供故障转移,实现高可用。

3、通过添加或减少服务器数量,增强网站的可扩展性。

4、在负载均衡器上进行过滤,可以提高系统的安全性。

负载均衡常用的处理方式

方式一:用户手动选择

这种方式比较原始,只要实现的方式就是在网站主页上面提供不同线路、不同服务器链接方式,让用户来选择自己访问的具体服务器,来实现负载均衡。

Nginx负载均衡

Nginx负载均衡

方式二:DNS轮询方式

DNS

域名系统(服务)协议(DNS)是一种分布式网络目录服务,主要用于域名与 IP 地址的相互转换。

大多域名注册商都支持对同一个主机名添加多条A记录,这就是DNS轮询,DNS服务器将解析请求按照A记录的顺序,随机分配到不同的IP上,这样就能完成简单的负载均衡。DNS轮询的成本非常低,在一些不重要的服务器,被经常使用。

Nginx负载均衡

Nginx负载均衡

如下是我们为某一个域名添加的IP地址,用2台服务器来做负载均衡。

Nginx负载均衡

Nginx负载均衡

验证:

ping www.nginx521.cn

清空本地的dns缓存

ipconfig/flushdns

我们发现使用DNS来实现轮询,不需要投入过多的成本,虽然DNS轮询成本低廉,但是DNS负载均衡存在明显的缺点。

1.可靠性低

假设一个域名DNS轮询多台服务器,如果其中的一台服务器发生故障,那么所有的访问该服务器的请求将不会有所回应,即使你将该服务器的IP从DNS中去掉,但是由于各大宽带接入商将众多的DNS存放在缓存中,以节省访问时间,导致DNS不会实时更新。所以DNS轮流上一定程度上解决了负载均衡问题,但是却存在可靠性不高的缺点。

2.负载均衡不均衡

DNS负载均衡采用的是简单的轮询负载算法,不能区分服务器的差异,不能反映服务器的当前运行状态,不能做到为性能好的服务器多分配请求,另外本地计算机也会缓存已经解析的域名到IP地址的映射,这也会导致使用该DNS服务器的用户在一定时间内访问的是同一台Web服务器,从而引发Web服务器减的负载不均衡。

负载不均衡则会导致某几台服务器负荷很低,而另外几台服务器负荷确很高,处理请求的速度慢,配置高的服务器分配到的请求少,而配置低的服务器分配到的请求多。

方式三:四/七层负载均衡

介绍四/七层负载均衡之前,我们先了解一个概念,OSI(open system interconnection),叫开放式系统互联模型,这个是由国际标准化组织ISO指定的一个不基于具体机型、操作系统或公司的网络体系结构。该模型将网络通信的工作分为七层。

Nginx负载均衡

Nginx负载均衡

应用层:为应用程序提供网络服务。

表示层:对数据进行格式化、编码、加密、压缩等操作。

会话层:建立、维护、管理会话连接。

传输层:建立、维护、管理端到端的连接,常见的有TCP/UDP。

网络层:IP寻址和路由选择

数据链路层:控制网络层与物理层之间的通信。

物理层:比特流传输。

所谓四层负载均衡指的是OSI七层模型中的传输层,主要是基于IP+PORT的负载均衡

实现四层负载均衡的方式:
硬件:F5 BIG-IP、Radware等
软件:LVS、Nginx、Hayproxy等

所谓的七层负载均衡指的是在应用层,主要是基于虚拟的URL或主机IP的负载均衡

实现七层负载均衡的方式:
软件:Nginx、Hayproxy等

四层和七层负载均衡的区别

四层负载均衡数据包是在底层就进行了分发,而七层负载均衡数据包则在最顶端进行分发,所以四层负载均衡的效率比七层负载均衡的要高。
四层负载均衡不识别域名,而七层负载均衡识别域名。

处理四层和七层负载以为其实还有二层、三层负载均衡,二层是在数据链路层基于mac地址来实现负载均衡,三层是在网络层一般采用虚拟IP地址的方式实现负载均衡。

实际环境采用的模式

四层负载(LVS)+七层负载(Nginx)

Nginx七层负载均衡

Nginx要实现七层负载均衡需要用到proxy_pass代理模块配置。Nginx默认安装支持这个模块,我们不需要再做任何处理。Nginx的负载均衡是在Nginx的反向代理基础上把用户的请求根据指定的算法分发到一组【upstream虚拟服务池】。

Nginx七层负载均衡的指令

upstream指令

该指令是用来定义一组服务器,它们可以是监听不同端口的服务器,并且也可以是同时监听TCP和Unix socket的服务器。服务器可以指定不同的权重,默认为1。

语法 upstream name {…}
默认值
位置 http
server指令

该指令用来指定后端服务器的名称和一些参数,可以使用域名、IP、端口或者unix socket

语法 server name [paramerters]
默认值
位置 upstream

Nginx七层负载均衡的实现流程

Nginx负载均衡

Nginx负载均衡

服务端设置

server {
    listen   9001;
    server_name localhost;
    default_type text/html;
    location /{
        return 200 '<h1>192.168.200.146:9001</h1>';
    }
}
server {
    listen   9002;
    server_name localhost;
    default_type text/html;
    location /{
        return 200 '<h1>192.168.200.146:9002</h1>';
    }
}
server {
    listen   9003;
    server_name localhost;
    default_type text/html;
    location /{
        return 200 '<h1>192.168.200.146:9003</h1>';
    }
}

负载均衡器设置

upstream backend{
    server 192.168.200.146:9091;
    server 192.168.200.146:9092;
    server 192.168.200.146:9093;
}
server {
    listen 8083;
    server_name localhost;
    location /{
        proxy_pass http://backend;
    }
}

负载均衡状态

代理服务器在负责均衡调度中的状态有以下几个:

状态 概述
down 当前的server暂时不参与负载均衡
backup 预留的备份服务器
max_fails 允许请求失败的次数
fail_timeout 经过max_fails失败后, 服务暂停时间
max_conns 限制最大的接收连接数
down

down:将该服务器标记为永久不可用,那么该代理服务器将不参与负载均衡。

upstream backend{
    server 192.168.200.146:9001 down;
    server 192.168.200.146:9002
    server 192.168.200.146:9003;
}
server {
    listen 8083;
    server_name localhost;
    location /{
        proxy_pass http://backend;
    }
}

该状态一般会对需要停机维护的服务器进行设置。

backup

backup:将该服务器标记为备份服务器,当主服务器不可用时,将用来传递请求。

upstream backend{
    server 192.168.200.146:9001 down;
    server 192.168.200.146:9002 backup;
    server 192.168.200.146:9003;
}
server {
    listen 8083;
    server_name localhost;
    location /{
        proxy_pass http://backend;
    }
}

此时需要将9094端口的访问禁止掉来模拟下唯一能对外提供访问的服务宕机以后,backup的备份服务器就要开始对外提供服务,此时为了测试验证,我们需要使用防火墙来进行拦截。

介绍一个工具firewall-cmd,该工具是Linux提供的专门用来操作firewall的。

查询防火墙中指定的端口是否开放

firewall-cmd --query-port=9001/tcp

如何开放一个指定的端口

firewall-cmd --permanent --add-port=9002/tcp

批量添加开发端口

firewall-cmd --permanent --add-port=9001-9003/tcp

如何移除一个指定的端口

firewall-cmd --permanent --remove-port=9003/tcp

重新加载

firewall-cmd --reload

其中

–permanent表示设置为持久

–add-port表示添加指定端口

–remove-port表示移除指定端口

max_conns

max_conns=number:用来设置代理服务器同时活动链接的最大数量,默认为0,表示不限制,使用该配置可以根据后端服务器处理请求的并发量来进行设置,防止后端服务器被压垮。

max_fails和fail_timeout

max_fails=number:设置允许请求代理服务器失败的次数,默认为1。

fail_timeout=time:设置经过max_fails失败后,服务暂停的时间,默认是10秒。

upstream backend{
    server 192.168.200.133:9001 down;
    server 192.168.200.133:9002 backup;
    server 192.168.200.133:9003 max_fails=3 fail_timeout=15;
}
server {
    listen 8083;
    server_name localhost;
    location /{
        proxy_pass http://backend;
    }
}

负载均衡策略

介绍完Nginx负载均衡的相关指令后,我们已经能实现将用户的请求分发到不同的服务器上,那么除了采用默认的分配方式以外,我们还能采用什么样的负载算法?

Nginx的upstream支持如下六种方式的分配算法,分别是:

算法名称 说明
轮询 默认方式
weight 权重方式
ip_hash 依据ip分配方式
least_conn 依据最少连接方式
url_hash 依据URL分配方式
fair 依据响应时间方式
轮询

是upstream模块负载均衡默认的策略。每个请求会按时间顺序逐个分配到不同的后端服务器。轮询不需要额外的配置。

upstream backend{
    server 192.168.200.146:9001 weight=1;
    server 192.168.200.146:9002;
    server 192.168.200.146:9003;
}
server {
    listen 8083;
    server_name localhost;
    location /{
        proxy_pass http://backend;
    }
}
weight加权[加权轮询]

weight=number:用来设置服务器的权重,默认为1,权重数据越大,被分配到请求的几率越大;该权重值,主要是针对实际工作环境中不同的后端服务器硬件配置进行调整的,所有此策略比较适合服务器的硬件配置差别比较大的情况。

upstream backend{
    server 192.168.200.146:9001 weight=10;
    server 192.168.200.146:9002 weight=5;
    server 192.168.200.146:9003 weight=3;
}
server {
    listen 8083;
    server_name localhost;
    location /{
        proxy_pass http://backend;
    }
}
ip_hash

当对后端的多台动态应用服务器做负载均衡时,ip_hash指令能够将某个客户端IP的请求通过哈希算法定位到同一台后端服务器上。这样,当来自某一个IP的用户在后端Web服务器A上登录后,在访问该站点的其他URL,能保证其访问的还是后端web服务器A。

语法 ip_hash;
默认值
位置 upstream
upstream backend{
    ip_hash;
    server 192.168.200.146:9001;
    server 192.168.200.146:9002;
    server 192.168.200.146:9003;
}
server {
    listen 8083;
    server_name localhost;
    location /{
        proxy_pass http://backend;
    }
}

需要额外多说一点的是使用ip_hash指令无法保证后端服务器的负载均衡,可能导致有些后端服务器接收到的请求多,有些后端服务器接收的请求少,而且设置后端服务器权重等方法将不起作用。

Nginx负载均衡

Nginx负载均衡

least_conn

最少连接,把请求转发给连接数较少的后端服务器。轮询算法是把请求平均的转发给各个后端,使它们的负载大致相同;但是,有些请求占用的时间很长,会导致其所在的后端负载较高。这种情况下,least_conn这种方式就可以达到更好的负载均衡效果。

upstream backend{
    least_conn;
    server 192.168.200.146:9001;
    server 192.168.200.146:9002;
    server 192.168.200.146:9003;
}
server {
    listen 8083;
    server_name localhost;
    location /{
        proxy_pass http://backend;
    }
}

此负载均衡策略适合请求处理时间长短不一造成服务器过载的情况。

Nginx负载均衡

Nginx负载均衡

url_hash

按访问url的hash结果来分配请求,使每个url定向到同一个后端服务器,要配合缓存命中来使用。同一个资源多次请求,可能会到达不同的服务器上,导致不必要的多次下载,缓存命中率不高,以及一些资源时间的浪费。而使用url_hash,可以使得同一个url(也就是同一个资源请求)会到达同一台服务器,一旦缓存住了资源,再此收到请求,就可以从缓存中读取。

upstream backend{
    hash &request_uri;
    server 192.168.200.146:9001;
    server 192.168.200.146:9002;
    server 192.168.200.146:9003;
}
server {
    listen 8083;
    server_name localhost;
    location /{
        proxy_pass http://backend;
    }
}

访问如下地址:

http://192.168.200.133:8083/a
http://192.168.200.133:8083/b
http://192.168.200.133:8083/c
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fair

fair采用的不是内建负载均衡使用的轮换的均衡算法,而是可以根据页面大小、加载时间长短智能的进行负载均衡。那么如何使用第三方模块的fair负载均衡策略。

upstream backend{
    fair;
    server 192.168.200.146:9001;
    server 192.168.200.146:9002;
    server 192.168.200.146:9003;
}
server {
    listen 8083;
    server_name localhost;
    location /{
        proxy_pass http://backend;
    }
}

但是如何直接使用会报错,因为fair属于第三方模块实现的负载均衡。需要添加nginx-upstream-fair,如何添加对应的模块:

  1. 下载nginx-upstream-fair模块

下载地址为:
    https://github.com/gnosek/nginx-upstream-fair
  1. 将下载的文件上传到服务器并进行解压缩

unzip nginx-upstream-fair-master.zip
  1. 重命名资源

mv nginx-upstream-fair-master fair
  1. 使用./configure命令将资源添加到Nginx模块中

./configure --add-module=/root/fair
  1. 编译

make

编译可能会出现如下错误,ngx_http_upstream_srv_conf_t结构中缺少default_port

Nginx负载均衡

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解决方案:

在Nginx的源码中 src/http/ngx_http_upstream.h,找到ngx_http_upstream_srv_conf_s,在模块中添加添加default_port属性

in_port_t       default_port
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然后再进行make.

  1. 更新Nginx

6.1 将sbin目录下的nginx进行备份

mv /usr/local/nginx/sbin/nginx /usr/local/nginx/sbin/nginxold

6.2 将安装目录下的objs中的nginx拷贝到sbin目录

cd objs
cp nginx /usr/local/nginx/sbin

6.3 更新Nginx

cd ../
make upgrade
  1. 编译测试使用Nginx

上面介绍了Nginx常用的负载均衡的策略,有人说是5种,是把轮询和加权轮询归为一种,也有人说是6种。那么在咱们以后的开发中到底使用哪种,这个需要根据实际项目的应用场景来决定的。

负载均衡案例

案例一:对所有请求实现一般轮询规则的负载均衡
upstream backend{
    server 192.168.200.146:9001;
    server 192.168.200.146:9002;
    server 192.168.200.146:9003;
}
server {
    listen 8083;
    server_name localhost;
    location /{
        proxy_pass http://backend;
    }
}
案例二:对所有请求实现加权轮询规则的负载均衡
upstream backend{
    server 192.168.200.146:9001 weight=7;
    server 192.168.200.146:9002 weight=5;
    server 192.168.200.146:9003 weight=3;
}
server {
    listen 8083;
    server_name localhost;
    location /{
        proxy_pass http://backend;
    }
}
案例三:对特定资源实现负载均衡
upstream videobackend{
    server 192.168.200.146:9001;
    server 192.168.200.146:9002;
}
upstream filebackend{
    server 192.168.200.146:9003;
    server 192.168.200.146:9004;
}
server {
    listen 8084;
    server_name localhost;
    location /video/ {
        proxy_pass http://videobackend;
    }
    location /file/ {
        proxy_pass http://filebackend;
    }
}
案例四:对不同域名实现负载均衡
upstream itcastbackend{
    server 192.168.200.146:9001;
    server 192.168.200.146:9002;
}
upstream itheimabackend{
    server 192.168.200.146:9003;
    server 192.168.200.146:9004;
}
server {
    listen  8085;
    server_name www.itcast.cn;
    location / {
        proxy_pass http://itcastbackend;
    }
}
server {
    listen  8086;
    server_name www.itheima.cn;
    location / {
        proxy_pass http://itheimabackend;
    }
}
案例五:实现带有URL重写的负载均衡
upstream backend{
    server 192.168.200.146:9001;
    server 192.168.200.146:9002;
    server 192.168.200.146:9003;
}
server {
    listen  80;
    server_name localhost;
    location /file/ {
        rewrite ^(/file/.*) /server/$1 last;
    }
    location / {
        proxy_pass http://backend;
    }
}

Nginx四层负载均衡

Nginx在1.9之后,增加了一个stream模块,用来实现四层协议的转发、代理、负载均衡等。stream模块的用法跟http的用法类似,允许我们配置一组TCP或者UDP等协议的监听,然后通过proxy_pass来转发我们的请求,通过upstream添加多个后端服务,实现负载均衡。

四层协议负载均衡的实现,一般都会用到LVS、HAProxy、F5等,要么很贵要么配置很麻烦,而Nginx的配置相对来说更简单,更能快速完成工作。

添加stream模块的支持

Nginx默认是没有编译这个模块的,需要使用到stream模块,那么需要在编译的时候加上--with-stream

完成添加--with-stream的实现步骤:

》将原有/usr/local/nginx/sbin/nginx进行备份
》拷贝nginx之前的配置信息
》在nginx的安装源码进行配置指定对应模块  ./configure --with-stream
》通过make模板进行编译
》将objs下面的nginx移动到/usr/local/nginx/sbin下
》在源码目录下执行  make upgrade进行升级,这个可以实现不停机添加新模块的功能

Nginx四层负载均衡的指令

stream指令

该指令提供在其中指定流服务器指令的配置文件上下文。和http指令同级。

语法 stream { … }
默认值
位置 main
upstream指令

该指令和http的upstream指令是类似的。

四层负载均衡的案例

需求分析
Nginx负载均衡

Nginx负载均衡

实现步骤

(1)准备Redis服务器,在一条服务器上准备三个Redis,端口分别是6379,6378

1.上传redis的安装包,redis-4.0.14.tar.gz

2.将安装包进行解压缩

tar -zxf redis-4.0.14.tar.gz

3.进入redis的安装包

cd redis-4.0.14

4.使用make和install进行编译和安装

make PREFIX=/usr/local/redis/redis01 install

5.拷贝redis配置文件redis.conf到/usr/local/redis/redis01/bin目录中

cp redis.conf    /usr/local/redis/redis01/bin

6.修改redis.conf配置文件

port  6379      #redis的端口
daemonize yes   #后台启动redis

7.将redis01复制一份为redis02

cd /usr/local/redis
cp -r redis01 redis02

8.将redis02文件文件夹中的redis.conf进行修改

port  6378      #redis的端口
daemonize yes   #后台启动redis

9.分别启动,即可获取两个Redis.并查看

ps -ef | grep redis

使用Nginx将请求分发到不同的Redis服务器上。

(2)准备Tomcat服务器.

1.上传tomcat的安装包,apache-tomcat-8.5.56.tar.gz

2.将安装包进行解压缩

tar -zxf apache-tomcat-8.5.56.tar.gz

3.进入tomcat的bin目录

cd apache-tomcat-8.5.56/bin
./startup

nginx.conf配置

stream {
        upstream redisbackend {
                server 192.168.200.146:6379;
                server 192.168.200.146:6378;
        }
        upstream tomcatbackend {
                server 192.168.200.146:8080;
        }
        server {
                listen  81;
                proxy_pass redisbackend;
        }
        server {
                listen  82;
                proxy_pass tomcatbackend;
        }
}

访问测试。


正文完
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yangleduo
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