负载均衡——nginx理论

Posted 2020-08-19

 nginx是什么？

　　nginx是一个强大的web服务器软件，用于处理高并发的http请求和作为反向代理服务器做负载均衡。具有高性能、轻量级、内存消耗少，强大的负载均衡能力等优势。

 

 nginx架构？

　　如上官方示意图所示，nginx启动以后，会在系统中以daemon的方式在后台运行，其中包括一个master进程，n(n>=1)个worker进程。

　　其中，master进程用于接收来自外界的信号，并给worker进程发送信号，同时监控worker进程的工作状态。

       worker进程则是外部请求真正的处理者，每个worker请求相互独立且平等的竞争来自客户端的请求。请求只能在一个worker进程中被处理，且一个worker进程只有一个主线程，所以同时只能处理一个请求。那么问题来了，一个worker进程只有一个主线程，只能同时处理一个请求，nginx对高并发请求强大的处理能力是如何保证的呢？答案是nginx采用异步非阻塞的方式来处理请求，即单线程、非阻塞、异步IO的工作模型。对比apache的异步非阻塞版本的工作模式，apache会为每一个请求新建一个线程去处理请求，线程进行上下文切换，会造成内存和CPU的浪费。反看nginx的异步非阻塞io模式，实用操作系统提供的io多路复用技术(epoll)，在一个线程中处理所有请求，当一个io操作开始的时候，nginx不会等待其完成就回去处理下一个请求，等到io操作完成后，nginx再回来处理这一次请求io操作的后续工作。相比apache，nginx省去了线程上下文切换带来的资源开销。 

       那么nginx如何确定哪个worker来处理请求呢？首先，每个worker进程都是从master进程fork过来，在master进程里面，先建立好需要listen的socket（listenfd）之后，然后再fork出多个worker进程。所有worker进程的listenfd会在新连接到来时变得可读，为保证只有一个进程处理该连接，所有worker进程在注册listenfd读事件前抢accept_mutex，抢到互斥锁的那个进程注册listenfd读事件，在读事件里调用accept接受该连接。当一个worker进程在accept这个连接之后，就开始读取请求，解析请求，处理请求，产生数据后，再返回给客户端，最后才断开连接，这样一个完整的请求就是这样的了。这样，一个请求，完全由worker进程来处理，而且只在一个worker进程中处理。

 

 nginx性能？

       这里援引网上搜索到的nginx的测试数据：10000个非活跃的HTTP keep-alive 连接仅占用约2.5MB内存。三万并发连接下，10个Nginx进程，消耗内存150M。淘宝tengine团队说测试结果是“24G内存机器上，处理并发请求可达200万”。

 

 nginx负载均衡？

       通信协议支持：nginx负载均衡主要是对七层网络通信模型中的第七层应用层上的http、https进行支持。同时nginx更新版本也在逐步对Websocket、SPDY等协议作出支持。

nginx是以反向代理的方式进行负载均衡的。反向代理（Reverse Proxy）方式是指以代理服务器来接受Internet上的连接请求，然后将请求转发给内部网络上的服务器，并将从服务器上得到的结果返回给Internet上请求连接的客户端，此时代理服务器对外就表现为一个服务器。(为了理解反向代理，这里插播一条什么是正向代理：正向代理指的是，一个位于客户端和原始服务器之间的服务器，为了从原始服务器取得内容，客户端向代理发送一个请求并指定目标(原始服务器)，然后代理向原始服务器转交请求并将获得的内容返回给客户端。)

       这里再插播一条实现负载均衡的技术的方式有哪些：硬件层面有F5负载均衡器，网络层层面有LVS(Linux Virtual Server)，应用层层面就是nginx、Haproxy等。

       nginx实现负载均衡的分配策略有很多，被编进nginx内核的策略有轮询和ip_hash，第三方的有fair、url_hash等。这里主要对内核策略进行介绍。

1.轮询

　　a)none(默认轮询):upstream按照轮询（默认）方式进行负载，每个请求按时间顺序逐一分配到不同的后端服务器，如果后端服务器down掉，能自动剔除。虽然这种方式简便、成本低廉。但缺点是：可靠性低和负载分配不均衡。

　　b)weight(按权重轮询):指定轮询几率，weight和访问比率成正比，用于后端服务器性能不均的情况。　

server 192.168.61.22 weight = 6; # 60% 请求
server 192.168.61.23 weight = 4; # 40% 请求

 

2.ip_hash

　　每个请求按访问ip的hash结果分配，这样每个访客固定访问一个后端服务器，可以解决session的问题。配置只需要在upstream中加入"ip_hash;"即可。

upstream tomcats {
      ip_hash;
      server 127.0.0.1:9001;
      server 127.0.0.1:9002;
}

 

3.fair(第三方)

　　按后端服务器的响应时间来分配请求，响应时间短的优先分配。与weight分配策略类似。

upstream tomcats {
      server 127.0.0.1:9001;
      server 127.0.0.1:9002;
      fair;
}

 

4.url_hash(第三方)

　　和IP哈希类似，只不过针对请求的url进行hash（基于缓存的server，页面静态化）。

 

附：Nginx配置文件nginx.conf中文详解