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Nginx的负载均衡

jiezi

我们都知道，Nginx 支持负载均衡，可以很方便的帮助我们进行水平扩容，然而它究竟是依据什么原则进行请求的分发，其中又有哪些负载均衡算法可供选择和配置，今天就让我们好好来了解一下。
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负载均衡的定义

什么叫负载均衡，我们可以参考一下图片中的这种情况：

  1. 当客户端发送请求时，会先到 Nginx，然后 Nginx 会将请求分发到后台不同的服务器上。
  2. 如果后台的服务器群中有一个宕机了，那么 Nginx 会自动忽略这台服务器，不会将请求再次分发到这台服务器上。
  3. 如果有新加入的服务器，Nginx 也会将请求分发到这台服务器上。

我所理解的负载均衡，就是：

能够将客户端的请求均匀地分发到后台各个应用服务器上，从而缓解服务器压力。

并且当服务器出现宕机或者扩容时，也能正常运行。

负载均衡的方法

上面了解了什么是负载均衡，那么 Nginx 是怎么实现这个功能的呢？

upstream 和 server 的使用

Nginx 中负责与上游交互的模块，统称为 upstream 模块。

而指定上游服务地址是通过 upstream 和server指令完成的，其关系为：

指定上游服务器的 address 时，其地址可以是域名、IP 地址或者 unix socket 地址。

可以在域名或者 IP 地址后加端口，如果不加端口，那么 默认使用 80 端口。

在 address 后面可以添加一些参数，比如：

backup：指定当前 server 为备份服务，仅当非备份 server 不可用时，请求才会转发到该 server。

down：标识某台服务已经下线，不再服务。

举个例子：

    upstream upstream-service {
        server 127.0.0.1:17002;
        server 127.0.0.1:17000;
    }

round-robin

在 upstream 这个模块中，它还提供了一个最基本的负载均衡算法round-robin。

其功能是：

以加权轮询的方式访问 server 指令指定的上游服务。

这个算法是默认集成在 Nginx 的框架中，无法移除，所以后面讲解的所有算法都是基于此，所有算法在某些特殊情况下最终都会变成round-robin。

涉及到的指令有：

  1. weight：服务访问的权重，默认是 1。
  2. max_conns：server 的最大并发连接数，仅作用于单 worker 进程。
  3. max_fails：在 fail_timeout 时间内，最大的失败次数。当达到最大失败时，会在 fail_timeout 时间内不允许再次被选择。
  4. fail_timeout：单位为秒，默认是 10 秒。指定一段时间内，最大的失败次数 max_fails。到达max_fails 后，该 server 不能访问的时间。

简单的 hash 模块

有的时候，正常的轮询算法并不能满足我们的需求，

比如：带有 cookie 请求状态的连接，如果应用服务没有设置专门的管理 cookie 的服务器，那么我们就希望同一个用户能被分配到同一个服务器。

再比如：我们后端应用需要针对请求当中的参数或者 URL，将相同的请求放到相同的服务器上进行处理。

针对第一种情况，就可以用upstream_ip_hash。针对第二种情况，可以使用upstream_hash。

upstream_ip_hash

功能：

以客户端的 IP 地址作为 hash 算法的关键字，映射到特定的上游服务器中。

  1. 对 IPV4 地址使用前 3 个字节作为关键字，对 IPV6 则使用完整地址。
  2. 可以使用 round-robin 算法的参数。
  3. 可以基于 realip 模块修改用于执行算法的 IP 地址。

举个例子：

    upstream upstream-service {
        ip_hash;
        server 127.0.0.1:17002;
        server 127.0.0.1:17000;
    }

upstream_hash

功能：

通过制定关键字作为 hash key，基于 hash 算法映射到特定的上游服务器中。

  1. 关键字可以含有变量、字符串。
  2. 可以使用 round-robin 算法的参数。

举个例子(以请求中的参数 username 作为 hash key)：

    upstream upstream-service {
        hash user_$arg_username;
        server 127.0.0.1:17002;
        server 127.0.0.1:17000;
    }

一致性哈希算法

hash 算法在一定程度上已经可以满足了我们的业务需求，但如果这个时候遇到应用宕机或者应用扩容，那么 hash 的总数就会变化，这样很有可能带来大量请求原本请求的服务器会更换，路由会失效，这样对于我们的应用服务也会产生极大的影响，这时候就可以采用一致性 hash 算法。

对于一致性哈希算法的理解，可以参考这篇文章：一致性哈希算法的理解与实践

它的使用也十分简单，就是在之前说的 upstream_hash 模块的 hash 指令最后，添加参数consistent，这样 Nginx 就可以使用一致性哈希算法了。

举个例子(仍以请求中的参数 username 作为 hash key)：

    upstream upstream-service {
        hash user_$arg_username consistent;
        server 127.0.0.1:17002;
        server 127.0.0.1:17000;
    }

总结

以上就是 Nginx 中比较常见的负载均衡方法了，还有一些比如 最少连接算法 等，都是在此之上的一些应用。如果大家有什么疑问，欢迎在下方留言。

有兴趣的话可以访问我的博客或者关注我的公众号、头条号，说不定会有意外的惊喜。

https://death00.github.io/

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