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【08】Nginx之负载均衡

2023-11-12

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。

实现方式

方式一：DNS轮询方式

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。

可以通过阿里云域名解析来解释：将同一个域名，解析到多个ip上，这个就属于dns轮询

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。

方式二:四/七层负载均衡

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。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-RLN2uMGw-1684978802503)(null)]
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

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;
	}
}

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。

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。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。

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;
	}
}
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
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

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-I4juoLHT-1684978802484)(null)]

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

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-AqIEKCWz-1684978802546)(null)]
然后再进行make.
6. 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

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-HsuYTnRr-1684978802525)(null)]

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;
        }
}
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负载均衡

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