七年开发浅谈Nginx负载均衡

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

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。

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：

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 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。

③、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。

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

2.2 配置示例

①、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

";
 #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;
 }

②、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

";
 #check_http_expect_alive http_2xx http_3xx;
 }
 server {
 listen 8888;
 proxy_pass cluster;
 }
 }

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：

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。

四 优势和劣势

4.1 优势

1. 可以很好地进行http 的头处理
2. 对http协议以及https的良好支持
3. 有足够的第三方插件供使用
4. 支持热部署，更改后端是平滑的

4.2 劣势

1. 缺少对session的支持
2. 对四层tcp的支持不够好
3. post请求写文件系统，造成500 error
4. 缺乏主动的后端服务器健康监测
5. 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：

1. 更友好的运维信息显示
2. 动态模块加载机制
3. 自动根据CPU数目设置进程个数和绑定CPU亲缘性
4. 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
5. 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
6. 动态脚本语言Lua支持。扩展功能非常高效简单
7. 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：

1. 支持一致性Hash模块
2. 会话保持模块
3. 对后端服务器的主动健康检查。
4. 增加了请求体不缓存到磁盘的机制

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