图解Nginx，系统架构演变 + Nginx反向代理与负载均衡

Posted 2023-02-22

大家好，我是哪吒。

本系列为SpringCloud微服务系列，先从微服务的入口nginx开始学习，读哪吒编程，品技术人生。

一、系统架构演变

最开始接触Java语言的时候，我写的第一个项目是图书管理系统，当时是用JSP+servlet写的，感觉很吊的样子，全班领先水平。

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慢慢的变成了JSP+SSM架构。

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到现在单体架构最流行的SpringBoot+Vue。

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但是，随着业务量的不断增大，你会发现，这些单体架构，已经无法满足数据日益膨胀的今天，动不动就几万、几十万的QPS，我记得当初200QPS，我就觉得挺吓人了。

为了解决性能问题，慢慢的微服务SpringCloud架构浮出水面，微服务的核心理念是将应用细粒化，将单一应用拆分成若干个小应用，每个小应用提供单一的业务功能，独立部署，服务之间相互调用，降低程序耦合度，解决单台服务器宕机的问题。

微服务提供了：

1. 高可用：当某个节点服务器宕机后，可以迅速将流量转移到其它节点；
2. 高性能：多台服务器对外提供相同的服务，提升程序的吞吐量；
3. 高扩展：当业务发生激增时，可以通过增加节点的方式，解决性能问题；

注：本章的重点是Nginx，微服务其它组件就不画了。

二、什么是Nginx？

Nginx是俄罗斯人Igor Sysoev编写的一款高性能 HTTP 和反向代理服务器。Nginx选择了epoll和kqueue作为网络I/O 模型，在高连接并发的情况下，Nginx是Apache服务器不错的替代品，它能够支持高达50000个并发连接数的响应，运行稳定，且内存、CPU等系统资源消耗非常低。

三、servername匹配规则

1. 完整匹配
2. 通配符匹配
3. 正则匹配

正则匹配格式，必须以~开头，比如​​server_name ~^www\\d+\\.nzbc\\.com$;​​。如果没有~开头，则Nginx会判定为完整匹配，在逻辑上，需要添加^和$锚定符号。正则匹配格式中.为正则元字符，需要通过反斜线进行转义，如果正在表达式中包含，需要用双引号引用起来，避免报错。

四、正向代理与反向代理

1、正向代理

正向代理服务器一般位于用户和服务器之间，用户通过正向代理服务器访问应用服务器获取资源。

最常见的例子就是，我们访问一个外国网站，该网站无法在国内直接访问，但是可以通过代理服务器访问，也就是说，用户向正向代理服务器发送一个请求并指定目标，然后正向代理服务器向目标服务器（外国网站）转交请求并将获得的内容返回给用户。

正向代理服务器，代理的是客户端，去和服务端交互。

2、反向代理

反向代理服务器一般位于用户和服务器之间，用户访问反向代理服务器获取应用服务器资源，用户不知道应用服务器的地址，是由代理服务器转发的，有降低网络和服务器的负载，提高访问效率的作用。

反向代理服务器，代理的是服务端，去和客户端交互。

Nginx就是一款高性能的反向代理服务器。

3、LVS

先说结论，LVS解决了Nginx单机性能瓶颈的问题。

LVS主要用于多服务器负载均衡，工作在网络的第四层，可以实现高性能、高可用的服务器集群技术，采用同步请求转发的策略。

LVS支持的并发量要比Nginx高，可以配合keepalived使用，将Nginx作为LVS的节点机器，因为Nginx在网络的第七层，功能上肯定强于LVS。

用户通过Nginx访问应用服务器，应用服务器直接将数据返回给机房路由，返回时不走Nginx了，降低了Nginx的性能消耗。

五、负载均衡策略

1、轮询

默认使用轮询方式，逐一转发访问，这种情况适合无状态请求，会话无法保持，可以通过基于客户端实现会话保持。

会话保持方式：

（1）基于session实现：

session用于存储客户端用户信息，一般不在服务器存储session，可以通过SpringSession将session存储到一个Redis服务器中，再次访问时，可以到Redis服务器中获取session，实现session共享。

（2）基于cookie实现，无状态的会话保持方式：

客户端访问时，先到权限校验服务器校验权限，生成一个cookie，并进行加密，只有服务器能解密，客户端没密码无法解密，客户端携带此cookie再次访问应用服务器，应用服务器进行解密校验，完成无状态的会话保持。

2、权重

通过​​upstream​​进行权重的定义。

1. weight：权重
2. down：下线不用了
3. backup：备用服务器

修改配置文件后，需要通过​​systemctl reload nginx​​命令重启Nginx。

​​nginx.conf配置如下​​

http
  upstream httpnz 
    server 192.168.66.1 weight=1 down;
    server 192.168.66.2 weight=5 backup;
    server 192.168.66.3 weight=10;
  
  server
    listen 80;
    server_name nzbc;
    
    location / 
      proxy_pass http://httpnz;
    
  
    error_page 500.html;
    location = /500.html
      root html;
    
  

3、ip_hash

每个请求按访问ip的hash结果分配，映射到固定某一台的服务器，会导致负载均衡不平衡。

当此应用服务器宕机后，session会丢失，再次发起请求时，会重新固定访问另一台正常的应用服务器，并实现会话保持。

4、least_conn

最少连接访问。

5、url_hash

根据访问的url转发请求，定向流量转发。

每个请求按访问url的hash结果分配，映射到固定的某一台服务器，会话无法保持。

一般在获取本地资源时使用（且本地资源不在同一台服务器上），比如通过地址1获取图片资源、通过地址2获取pdf协议资源。

6、fair

根据服务器响应时间转发请求。

7、小结

最常用的负载均衡策略是配置权重，其它的形式，不是很常用。

​​ip_hash、least_conn、url_hash、fair​​，这几种形式无法实现动态Nginx上下线（新增或减少Nginx服务器），而且还会造成流量倾斜的问题，如果瞬时流量比较爆炸的时候，会将某个服务器直接干蹦。

六、动静分离

动静分离的最终目的是将获取静态资源和动态资源分离开，提升服务器性能和高可用性。

​​配置静态资源，nginx.conf配置如下​​

http
  upstream httpnz 
    server 192.168.66.1 weight=1 down;
    server 192.168.66.2 weight=5 backup;
    server 192.168.66.3 weight=10;
  
  server
    listen 80;
    server_name nzbc;
    
    location / 
      proxy_pass http://httpnz;
    
    
    location ~*/(js/img/css) 
      root html;
      index index.html index.htm;
    
    
    error_page 500 502 503 504 /50x.html;
    location = /50x.html
      root html;
    
  

七、URLRewrite

URLRewrite是实现URL重写的关键指令，根据regex (正则表达式)部分内容，进行重定向。

flag标记说明：

1. break，本条匹配完成后即终止；
2. last，本条匹配完成后，继续向下匹配；
3. redirect，返回302临时重定向；
4. permanent，返回301永久重定向；

​​配置URLRewrite，nginx.conf配置如下​​

http
  upstream httpnz 
    server 192.168.66.1 weight=1 down;
    server 192.168.66.2 weight=5 backup;
    server 192.168.66.3 weight=10;
  
  server
    listen 80;
    server_name nzbc;
    
    location / 
      rewrite ^/([0-9]+).html$ /index.jsp?pageNum=$1 break;
      proxy_pass http://httpnz;
    
    
    location ~*/(js/img/css) 
      root html;
      index index.html index.htm;
    
    
    error_page 500 502 503 504 /50x.html;
    location = /50x.html
      root html;