微服务系列文章之 Nginx负载均衡

1、七层负载均衡

1、说明

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】。

2、要用到的指令

2.1、upstream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	upstream name
默认值	无
位置	http

2.2、server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	server name [paramerters]
默认值	无
位置	upstream

1.3、实现流程

图。

1.4、配置示例

配置成功后，访问 http://127.0.0.1 请求会一次访问三个服务。

1.4.1、服务一

server {
    listen       8081;
    server_name  127.0.0.1;

    location / {
        default_type text/plain;
        return 200 "127.0.0.1 <=> 8081";
    }
}

1.4.2、服务二

server {
    listen       8082;
    server_name  127.0.0.1;

    location / {
        default_type text/plain;
        return 200 "127.0.0.1 <=> 8082";
    }
}

1.4.3、服务三

server {
    listen       8083;
    server_name  127.0.0.1;

    location / {
        default_type text/plain;
        return 200 "127.0.0.1 <=> 8083";
    }
}

1.4.4、均衡配置

upstream backend {
    server 127.0.0.1:8081;
    server 127.0.0.1:8082;
    server 127.0.0.1:8083;
}

server {
    listen       80;
    server_name  127.0.0.1;

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

1.5、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

1.5.1、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。该状态一般会对需要停机维护的服务器进行设置。

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;
  }
}

1.5.2、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;
  }
}

1.5.3、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。

1.5.4、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;
  }
}

1.6、负载均衡策略

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

1.6.1、轮询

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;
  }
}

1.6.2、 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;
  }
}

1.6.3、 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。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。

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;
  }
}

1.6.4、 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;
  }
}

1.6.5、 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;
  }
}

1.6.5、 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:

1.6.5.1、下载nginx-upstream-fair模块

下载地址为:
  https://github.com/gnosek/nginx-upstream-fair

1.6.5.2、将下载的文件上传到服务器并进行解压缩

unzip nginx-upstream-fair-master.zip

1.6.5.3、重命名资源

mv nginx-upstream-fair-master fair

1.6.5.4、使用./configure命令将资源添加到Nginx模块中

./configure --add-module=/root/fair

1.6.5.5、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。可以在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

int_por_t    port;
in_port_t    default_port;
ngx_unit_t   no_port;

然后再进行make.

1.6.5.6、更新Nginx

1.6.5.6.1、将sbin目录下的nginx进行备份

mv /usr/local/nginx/sbin/nginx /usr/local/nginx/sbin/nginxold

1.6.5.6.2、将安装目录下的objs中的nginx拷贝到sbin目录

cp objs/nginx /usr/local/nginx/sbin

1.6.5.6.3、更新Nginx

make upgrade

2、四层负载均衡

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。
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。

2.1、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的实现步骤如下：

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

2.2、配置示例

stream {
  upstream redisbackend {
    server 192.168.200.146:6379;
    server 192.168.200.146:6378;
  }

  upstream tomcatbackend {
      server 192.168.200.146:8080;
      server 192.168.200.146:8081;
  }

  server {
    listen  81;
    proxy_pass redisbackend;
  }

  server {
    listen  82;
    proxy_pass  tomcatbackend;
  }
}

案例 -Tomcat集群

网络配置

IP	PORT	DESC
10.108.10.100	80	Nginx Web Server
10.108.10.101	8080	Tomcat App Server①
10.108.10.102	8080	Tomcat App Server②
10.108.10.103	8080	Tomcat App Server③

# 负载均衡配置
upstream server-api {
  server 10.108.10.101:8080;
  server 10.108.10.102:8080;
  server 10.108.10.103:8080;
}

server {
  listen  80;
  server_name  localhost;

  # 静态资源配置
  location / {
    root  /www/wwwroot/projects/ui;
    try_files  $uri $uri/ /index.html;
    index  index.html index.htm;
  }

  # 动态资源配置
  location /prod-api/ {
    proxy_set_header  Host $http_host;
    proxy_set_header  X-Real-IP $remote_addr;
    proxy_set_header  REMOTE-HOST $remote_addr;
    proxy_set_header  X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;
    proxy_set_header X-Forwarded-Proto  $scheme;
    proxy_pass  http://server-api/;
  }
}

在101、102、103上分别启动Tomcat，此时访问http://10.108.10.100/index.html，刷新会轮训访问三台Tomcat服务。至此，解决了Tomcat的高可用性，一台服务器宕机，还有其他两台对外提供服务，同时也可以实现后台服务器的不间断更新。