【2022】Nginx使用ngx_http_upstream_module实现负载均衡功能

负载均衡介绍

• 什么是负载均衡

负载均衡（Load Balance），意思是将负载（工作任务，访问请求）进行平衡、分摊到多个操作单元（服务器，组件）上进行执行。

• 为什么需要负载均衡

当单台web服务器直接面向用户，可能要承载着大量的并发请求，单台服务器可能难以负荷，我们需要使用多台web服务器组成一个集群，利用Nginx负载均衡功能，将请求分发给不同的后端服务器，实现负载的流量分发，提升整体性能、以及系统的容灾能力。

• 负载均衡与代理有什么区别
  代理是代理一台服务器基于URI调度，调度到不同功能的应用节点
  负载均衡是将客户端请求通过proxy_pass代理至一组upstream资源池
  
• 实现负载均衡场景
  

实现负载均衡功能需要使用两个模块：

proxy_pass：代理模块

upstream：虚拟资源池

示例：一个官方的的负载均衡展示

upstream backend {
    server backend1.example.com       weight=5;
    server backend2.example.com:8080;
    server unix:/tmp/backend3;
    server backup1.example.com:8080   backup;
    server backup2.example.com:8080   backup;
}
server {
    location / {
        proxy_pass http://backend;
    }
}

示例：自己完成一个小例子

upstream node {
  server 192.168.10.3:80;
  server 192.168.10.4:80;
}
server {
  listen 80;
  server_name www.yyang.com;
  location / {
    proxy_pass http://node;
    include prxoy_params;
  }
}

负载均衡调度算法

• 轮询调度

按顺序逐一分配到不同的后端节点，也是默认算法。（简单来说就是1:1:1）

• 加权轮询

考虑到不同服务器的性能不同，给予节点不同的权值，使其接收到相应的权值请求数

server 192.168.10.3:80 weight=3;
server 192.168.10.4:80 weight=1;

以上这个例子是说每4个请求会分配给10.3三个，10.4一个，以此循环。

• ip_hash

根据用户请求的IP，对该IP进行hash运算，根据运算的值将请求分配给后端特定的一台节点进行处理。

取值范围为ipv4地址的前三个8位或ipv6的整个地址作为哈希键，确保来自从一个客户端的IP始终传递给同一台服务器，除非次服务器不可用。（简单来说就是172.16.20.1与172.16.20.2取前三个8位都是172.16.20）

ip_hash运算公式：hash（ip）%node_counts=index

ip_hash带来的问题：

大量同一IP的请求会造成某个节点流量过大

如果临时下线一台节点，会重新计算hash值，建议使用down状态

示例：注意ip_hash与权重不可同时使用

ip_hash;
server 192.168.10.3:80;
server 192.168.10.4:80;

• 一致性hash

为了避免上述问题，所以诞生了一致性hash，使用取模的方式，但不对服务器节点数量取模，而是对2的32次方取模，hash函数值为0~2^32-1。（形成一个虚拟圆环，用户请求会发给顺时针相邻的节点）

有一个问题：如果后端节点较少可能会造成数据倾斜，所以一致性hash引入了虚拟节点机制，即对每个服务器计算多个哈希，每个计算结果位置都放置一个虚拟节点。

如果我们想使用ip_hash，但是计算公式使用一致性hash，该怎么做？

hash $remote_addr consistent;
server 192.168.10.3:80;
server 192.168.10.4:80;

• url_hash

根据用户的url进行hash取模，根据运算值，将请求分配给一台特定的后端服务器。clent——nginx——url_hash——cache1——app

1.用户请求nginx负载均衡，通过url算法，请求调度至cache1
2.cache1没有数据，会向后端获取，返回数据，并将数据缓存
3.当其他用户访问相同url时，调度器依然会调度到cache1节点
4.cache1会直接将数据返回

hash $request_uri consistent;
server 192.168.10.3:80;
server 192.168.10.4:80;

• least_conn

哪台服务器的连接数最少，就将请求调度到这台服务器

least_conn;
server 192.168.10.3:80;
server 192.168.10.4:80;

负载均衡后端节点状态

• down

将服务器节点标记为不可用状态，一般用于停机维护。

server 192.168.10.3:80 down;
server 192.168.10.4:80;

• backup

备用节点，正常情况不会调度到此节点；当正常工作节点全部不可用时，会启用此节点;当节点恢复时此节点会继续恢复备用状态。

server 192.168.10.3:80;
server 192.168.10.4:80;
server 192.168.10.5:80 backup;

• max_conns

用来限制每个后端节点接收到的最大的TCP连接数，如果超出限制就会抛出错误。

server 192.168.10.3:80 max_conns=10;
server 192.168.10.4:80 max_conns=10;

一台可以连接10.两台是20，超过20就会出错。

• keepalived

与后端服务器激活缓存，也就是长链接，提升网站吞吐量。

默认不启用此功能，当有请求时，会建立连接，维护连接，关闭连接，所以会存在网络消耗；但是如果所有连接都缓存了，当连接空闲了又会占用其他系统资源，所以可以使用keepalived参数。

server 192.168.10.3:80;
server 192.168.10.4:80;
keepalived 32;   # 最大空闲连接数的个数
keepalived_timeout 100s; # 空闲连接的超时时间
# 需要配合以下两个参数使用
proxy_http_version 1.1;
proxy_set_header connection "";

• max_fails与fail_timeout

max_fails=2：服务器通信失败两次，认为服务器不可用

fail_timeout=5s：服务器通信失败后，每5秒探测一次服务器是否恢复正常。

在fail_timeout设定时间内，与服务器连接失败次数达到max_fails数量，则认为服务器不可用。

如果不设置的话默认是探测一次，间隔10s。

server 192.168.10.3:80 max_fails=2 fail_timeout=5s;
server 192.168.10.4:80 max_fails=2 fail_timeout=5s;

这部分就到这，其他内容放在之后。