Nginx的负载均衡 - 加权轮询 (Weighted Round Robin) 上篇

Nginx版本：1.9.1

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算法介绍

来看一个简单的Nginx负载均衡配置。

http {
    upstream cluster {
        server a weight=5;
        server b weight=1;
        server c weight=1;
    }

    server {
        listen 80;

        location / {
            proxy_pass http://cluster;
        }
    }
}

当在upstream配置块中没有指定使用的负载均衡算法时，默认使用的是加权轮询。

按照上述配置，Nginx每收到7个客户端的请求，会把其中的5个转发给后端a，把其中的1个转发给后端b，

把其中的1个转发给后端c。

这就是所谓的加权轮询，看起来很简单，但是最早使用的加权轮询算法有个问题，就是7个请求对应的

后端序列是这样的：{ c, b, a, a, a, a, a }，会有5个连续的请求落在后端a上，分布不太均匀。

目前使用的加权轮询叫做平滑的加权轮询（smooth weighted round-robin balancing），它和前者的区别是：

每7个请求对应的后端序列为 { a, a, b, a, c, a, a }，转发给后端a的5个请求现在分散开来，不再是连续的。

摘录此算法的描述：

On each peer selection we increase current_weight of each eligible peer by its weight,

select peer with greatest current_weight and reduce its current_weight by total number

of weight points distributed among peers.

To preserve weight reduction in case of failures the effective_weight variable was introduced,

which usually matches peer's weight, but is reduced temoprarily on peer failures.[1]

每个后端peer都有三个权重变量，先解释下它们的含义。

(1) weight

配置文件中指定的该后端的权重，这个值是固定不变的。

(2) effective_weight

后端的有效权重，初始值为weight。

在释放后端时，如果发现和后端的通信过程中发生了错误，就减小effective_weight。

此后有新的请求过来时，在选取后端的过程中，再逐步增加effective_weight，最终又恢复到weight。

之所以增加这个字段，是为了当后端发生错误时，降低其权重。

(3) current_weight

后端目前的权重，一开始为0，之后会动态调整。那么是怎么个动态调整呢？

每次选取后端时，会遍历集群中所有后端，对于每个后端，让它的current_weight增加它的effective_weight，

同时累加所有后端的effective_weight，保存为total。

如果该后端的current_weight是最大的，就选定这个后端，然后把它的current_weight减去total。

如果该后端没有被选定，那么current_weight不用减小。

弄清了三个weight字段的含义后，加权轮询算法可描述为：

1. 对于每个请求，遍历集群中的所有可用后端，对于每个后端peer执行：

peer->current_weight += peer->effecitve_weight。

同时累加所有peer的effective_weight，保存为total。

2. 从集群中选出current_weight最大的peer，作为本次选定的后端。

3. 对于本次选定的后端，执行：peer->current_weight -= total。

上述描述可能不太直观，来看个例子。

现在使用以下的upstream配置块：

upstream backend {

server a weight=4;

server b weight=2;

server c weight=1;

}

按照这个配置，每7个客户端请求中，a会被选中4次、b会被选中2次、c会被选中1次，且分布平滑。

我们来算算看是不是这样子的。

initial current_weight of a, b, c is { 0, 0, 0 }

通过上述过程，可得以下结论：

1. 7个请求中，a、b、c分别被选取了4、2、1次，符合它们的权重值。

2. 7个请求中，a、b、c被选取的顺序为a, b, a, c, a, b, a，分布均匀，权重大的后端a没有被连续选取。

3. 每经过7个请求后，a、b、c的current_weight又回到初始值{ 0, 0, 0 }，因此上述流程是不断循环的。

这个平滑的加权轮询算法背后应该有数学论证，这里就不继续研究了：）

本模块的数据结构

ngx_http_upstream_rr_peer_t

表示一台后端服务器。peer就是对端，指的是上游服务器端。

struct ngx_http_upstream_rr_peer_s {
    struct sockaddr *sockaddr; /* 后端服务器的地址 */
    socklen_t socklen; /* 地址的长度*/
    ngx_str_t name; /* 后端服务器地址的字符串，server.addrs[i].name */
    ngx_str_t server; /* server的名称，server.name */

    ngx_int_t current_weight; /* 当前的权重，动态调整，初始值为0 */
    ngx_int_t effective_weight; /* 有效的权重，会因为失败而降低 */
    ngx_int_t weight; /* 配置项指定的权重，固定值 */

    ngx_uint_t conns; /* 当前连接数 */

    ngx_uint_t fails; /* "一段时间内"，已经失败的次数 */
    time_t accessed; /* 最近一次失败的时间点 */
    time_t checked; /* 用于检查是否超过了"一段时间" */

    ngx_uint_t max_fails; /* "一段时间内"，最大的失败次数，固定值 */
    time_t fail_timeout; /* "一段时间"的值，固定值 */
    ngx_uint_t down; /* 服务器永久不可用的标志 */
    ...
    ngx_http_upstream_rr_peer_t *next; /* 指向下一个后端，用于构成链表 */
    ...
} ngx_http_upstream_rr_peer_t;

ngx_http_upstream_rr_peers_t

表示一组后端服务器，比如一个后端集群。

struct ngx_http_upstream_rr_peers_s {
    ngx_uint_t number; /* 后端服务器的数量 */
    ...
    ngx_uint_t total_weight; /* 所有后端服务器权重的累加值 */

    unsigned single:1; /* 是否只有一台后端服务器 */
    unsigned weighted:1; /* 是否使用权重 */

    ngx_str_t *name; /* upstream配置块的名称 */

    ngx_http_upstream_rr_peers_t *next; /* backup服务器集群 */
    ngx_http_upstream_rr_peer_t *peer; /* 后端服务器组成的链表 */
};

ngx_http_upstream_rr_peer_data_t

保存每个请求的负载均衡数据。

typedef struct {
     ngx_http_upstream_rr_peers_t *peers; /* 后端集群 */
     ngx_http_upstream_rr_peer_t *current; /* 当前使用的后端服务器 */
     uintptr_t *tried; /* 指向后端服务器的位图 */
     uintptr_t data; /* 当后端服务器的数量较少时，用于存放其位图 */
} ngx_http_upstream_rr_peer_data_t;

通用的数据结构

以下是所有负载均衡模块都会使用到的一些数据结构。

ngx_http_upstream_server_t

表示upstream配置块中的一条server指令。

typedef struct {
     ngx_str_t name; /* 服务器的名称 */
     ngx_addr_t *addrs; /* 服务器地址的数组，因为同一个域名可能解析为多个IP */
     ngx_uint_t naddrs; /* 服务器地址数组的元素个数 */
     ngx_uint_t weight; /* 服务器的权重 */
     ngx_uint_t max_fails; /* 一段时间内，访问失败的次数超过此值，判定服务器不可用 */
     time_t fail_timeout; /* 上述“一段时间”的长度 */

     unsigned down:1; /* 服务器不可用的标志 */
     unsigned backup:1; /* 服务器为备用的标志 */
} ngx_http_upstream_server_t;

server指令

Syntax: server address [parameters];

Context: upstream

Defines the address and other parameters of a server.

The address can be specified as domain name or IP address, with an optional port, or...

If a port is not specified, the port 80 is used. A domain name that resolves to serveral IP

addresses defines multiple servers at once.

server指令支持如下参数

weight = number

sets the weight of the server, by default 1.

max_fails = number

By default, the number of unsuccessful attempts is set to 1.

The zero value disables the accounting of attempts.

fail_timout = number

By default it is set to 10 seconds.

backup

marks the server as a backup server.

down

marks the server as permanently unavailable.

ngx_peer_connection_t

表示本机和后端的连接，也叫主动连接，用于upstream机制。

struct ngx_peer_connection_s {
     ngx_connection_t *connection; /* 后端连接 */

     struct sockaddr *sockaddr; /* 后端服务器的地址 */
     socklen_t socklen; /* 后端服务器地址的长度 */
     ngx_str_t *name; /* 后端服务器的名称 */

     ngx_uint_t tries; /* 对于一个请求，允许尝试的后端服务器个数 */
     ngx_event_get_peer_pt get; /* 负载均衡模块实现，用于选取一个后端服务器 */
     ngx_event_free_peer_pt free; /* 负载均衡模块实现，用于释放一个后端服务器 */
     void *data; /* 请求的负载均衡数据，一般指向ngx_http_upstream_<name>_peer_data_t */
     ...
     ngx_addr_t *local; /* 本机地址 */
     int rcvbuf; /* 套接字接收缓冲区的大小 */
     ngx_log_t *log;

     unsigned cached:1;
     unsigned log_error:2;
};

ngx_peer_connection_t *pc;

pc->get 就是负载均衡模块中，用于选取后端服务器的函数。

当选定一台后端服务器时，把它的地址信息保存在pc->sockaddr、pc->socklen、pc->name。

pc->tries表示对于一个请求，最多能尝试多少个后端。当尝试一个后端失败时，会调用pc->free，

一个主要目的就是更新pc->tries，比如pc->tries--。如果pc->tries降到0，就不再尝试了。

在请求的负载均衡数据初始化函数peer.init中，会给该请求创建一个ngx_http_upstream_<name>_peer_data_t实例，

用于保存该请求的负载均衡数据，pc->data就是该实例的地址。

ngx_http_upstream_peer_t

保存upstream块的数据，是负载均衡中一个很重要的结构体。

typedef struct {
    /* upstream块的初始化函数，ngx_http_upstream_module创建main配置时调用。
      * 针对每个upstream块。
      */
    ngx_http_upstream_init_pt init_upstream;

    /* request在初始化upstream机制时调用，初始化该请求的负载均衡数据。
      * 针对每个request。
      */
    ngx_http_upstream_init_peer_pt init;

    void *data; /* 保存upstream块的数据 */
} ngx_http_upstream_peer_t;

upstream块的数据，在解析配置文件时就创建和初始化了。

如果写了一个新的负载均衡模块，则需要在它的指令解析函数中指定init_upstream的值，

用来创建和初始化包含该指令的upstream配置块的数据。

ngx_http_upstream_srv_conf_t

ngx_http_upstream_module的server块。

struct ngx_http_upstream_srv_conf_s {
     ngx_http_upstream_peer_t peer; /* upstream块的数据 */
     void **srv_conf; /* 所有HTTP模块的server conf */
     ngx_array_t *server; /* upstream块的server数组，元素类型为ngx_http_upstream_server_t */
     ngx_uint_t flags; /* upstream块的server指令支持的参数 */
     ngx_str_t host; /* upstream块的名称 */
     u_char *file_name;
     ngx_uint_t line;
     in_port_t port; /* 使用的端口 */
     in_port_t default_port; /* 默认的端口 */
     ngx_uint_t no_port;
     ...
};

#define ngx_http_conf_upstream_srv_conf(uscf, module) uscf->srv_conf[module.ctx_index]

Reference

[1]. https://github.com/phusion/nginx/commit/27e94984486058d73157038f7950a0a36ecc6e35