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Nginx(5)nginx的负载均衡

负载均衡

早期的网站流量和业务功能都比较简单，单台服务器足以满足基本的需求，但是随着互联网的发展，业务流量越来越大并且业务逻辑也跟着越来越复杂，单台服务器的性能及单点故障问题就凸显出来了，因此需要多台服务器进行性能的水平扩展及避免单点故障出现。那么如何将不同用户的请求流量分发到不同的服务器上呢？
在这里插入图片描述

负载均衡的原理及处理流程

系统的扩展可以分为纵向扩展和横向扩展。

  • 纵向扩展是从单机的角度出发，通过增加系统的硬件处理能力来提升服务器的处理能力 - 添加内存条，添加磁盘存储空间，甚至更换更好的CPU(总有性能上限)
  • 横向扩展是通过添加机器来满足大型网站服务的处理能力在这里插入图片描述

这里面涉及到两个重要的角色分别是"应用集群"和"负载均衡器"。

应用集群：将同一应用部署到多台机器上，组成处理集群，接收负载均衡设备分发的请求，进行处理并返回响应的数据。

负载均衡器：将用户访问的请求根据对应的负载均衡算法，分发到集群中的一台服务器进行处理。

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。

负载均衡常用的处理方式

方式一：用户手动选择

这种方式比较原始，只要实现的方式就是在网站主页上面提供不同线路、不同服务器链接方式，让用户来选择自己访问的具体服务器，来实现负载均衡。(后台控制负载均衡能力弱)
在这里插入图片描述
方式二：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。

大多域名注册商都支持对同一个主机名添加多条A记录，这就是DNS轮询，DNS服务器将解析请求按照A记录的顺序，随机分配到不同的IP上，这样就能完成简单的负载均衡。DNS轮询的成本非常低，在一些不重要的服务器，被经常使用。

在这里插入图片描述
验证:

ping www.baidu.com

清空本地的dns缓存

ipconfig/flushdns

在这里插入图片描述

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。

方式三：四/七层负载均衡

介绍四/七层负载均衡之前，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。
在这里插入图片描述
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，物理设备比如网卡

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，成本高，不能自行扩展，效率好
软件：LVS、Nginx、Hayproxy等，成本低，扩展性好，性能没有硬件好

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外，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，用的少。

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，所以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： 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： 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

在这里插入图片描述
服务端设置【192.168.221.198】根据端口不同为不同的服务器

server {
    listen   9001;
    server_name localhost;
    default_type text/html;
    location /{
        return 200 '<h1>192.168.221.198:9001</h1>';
    }
}
server {
    listen   9002;
    server_name localhost;
    default_type text/html;
    location /{
        return 200 '<h1>192.168.221.198:9002</h1>';
    }
}
server {
    listen   9003;
    server_name localhost;
    default_type text/html;
    location /{
        return 200 '<h1>192.168.221.198:9003</h1>';
    }
}

负载均衡器设置【192.168.221.199】

upstream backend {
    server 192.168.221.198:9001;
    server 192.168.221.198:9002;
    server 192.168.221.198:9003;
}
server {
    listen 8083;
    server_name localhost;
    location /{
        proxy_pass http://backend;
    }
}

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

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：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{
  #只有9002和9003参与轮询
    server 192.168.221.198:9001 down;
    server 192.168.221.198:9002;
    server 192.168.221.198:9003;
}
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。
在这里插入图片描述

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 192.168.221.198:9001 down; #不可用服务器
    server 192.168.221.198:9002 backup; #备份服务器
    server 192.168.221.198:9003; #主服务器
}
server {
    listen 8083;
    server_name localhost;
    location /{
        proxy_pass http://backend;
    }
}

只有当9003服务器不可用时，才使用9002来处理，当9003恢复后，又用主服务器来处理服务。

此时需要将9003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

移除一个指定的端口

firewall-cmd --permanent --remove-port=9003/tcp

重新加载

firewall-cmd --reload

在这里插入图片描述

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=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=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 192.168.221.199:9001 down;
    server 192.168.221.199:9002 backup;
    #当访问9003失败次数达到3次，等15秒以后再看9003是否恢复
    server 192.168.221.199:9003 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{
   # 默认weight=1
    server 192.168.221.198:9001;
    server 192.168.221.198:9002;
    server 192.168.221.198:9003;
}
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 192.168.221.198:9001 weight=10;
    server 192.168.221.198:9002 weight=5;
    server 192.168.221.198:9003 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。

避免用户在web服务1上登录保存session信息之后，再分发到别的服务上用户需要重复登录的问题。
在这里插入图片描述
语法ip_hash;默认值—位置upstream

upstream backend{
    ip_hash;
    server 192.168.221.198:9001;
    server 192.168.221.198:9002;
    server 192.168.221.198:9003;
}
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，不建议使用，使用reedis来保存session，解决session不共享问题。
在这里插入图片描述
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。

upstream backend{
    least_conn;
    server 192.168.221.198:9001;
    server 192.168.221.198:9002;
    server 192.168.221.198:9003;
}
server {
    listen 8083;
    server_name localhost;
    location /{
        proxy_pass http://backend;
    }
}

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。
在这里插入图片描述
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 192.168.221.198:9001;
    server 192.168.221.198:9002;
    server 192.168.221.198:9003;
}
server {
    listen 8083;
    server_name localhost;
    location /{
        proxy_pass http://backend;
    }
}

访问如下地址：

http://192.168.221.199:8083/a
http://192.168.221.199:8083/b
http://192.168.221.199:8083/c

在这里插入图片描述
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。如何使用第三方模块的fair负载均衡策略。

配置方式如下：

upstream backend{
    fair;
    server 192.168.221.198:9001;
    server 192.168.221.198:9002;
    server 192.168.221.198:9003;
}
server {
    listen 8083;
    server_name localhost;
    location /{
        proxy_pass http://backend;
    }
}

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:

下载nginx-upstream-fair模块【下载地址 】

将下载的文件上传到服务器并进行解压缩

unzip nginx-upstream-fair-master.zip

重命名资源

mv nginx-upstream-fair-master fair

查看之前配置

nginx -V

在这里插入图片描述

使用./configure命令将资源添加到Nginx模块中

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

在这里插入图片描述
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
在这里插入图片描述
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，然后再进行make

in_port_t       default_port

在这里插入图片描述

更新Nginx
将sbin目录下的nginx进行备份

mv /usr/local/nginx/sbin/nginx /usr/local/nginx/sbin/nginxold2

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

更新Nginx

make upgrade

在这里插入图片描述

编译测试使用Nginx。

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 192.168.221.198:9001;
    server 192.168.221.198:9002;
    server 192.168.221.198:9003;
}
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 192.168.221.198:9001 weight=7;
    server 192.168.221.198:9002 weight=5;
    server 192.168.221.198:9003 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 192.168.221.198:9001;
    server 192.168.221.198:9002;
}
upstream filebackend{
    server 192.168.221.198:9003;
    server 192.168.221.198:9004;
}
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 192.168.221.198:9001;
    server 192.168.221.198:9002;
}
upstream itheimabackend{
    server 192.168.221.198:9003;
    server 192.168.221.198:9004;
}
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 192.168.221.198:9001;
    server 192.168.221.198:9002;
    server 192.168.221.198:9003;
}
server {
    listen    80;
    server_name localhost;
    location /file/ {
    # 将url地址上的file重写为server 再重新定位
        rewrite ^(/file/.*) /server/$1 last;
    }
    # 再请求分发
    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，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

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

Nginx四层负载均衡的指令

stream指令： 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：客户端发送请求到nginx，nginx根据ip和端口将请求分发到三个服务器上，分别是两个redis和一个tomcat，当用户访问81端口时，将请求分发到redis1和redis2上，当用户访问82端口时，将请求分到tomcat上。

在这里插入图片描述
环境准备：

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，tomcat端口8080
redis环境准备
上传redis的安装包，

redis-4.0.14.tar.gz

将安装包进行解压缩

tar -zxf redis-4.0.14.tar.gz

进入redis的安装包

cd redis-4.0.14

使用make和install进行编译和安装

make PREFIX=/usr/local/redis/redis01 install

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

修改redis.conf配置文件

port  6379      #redis的端口
daemonize yes   #后台启动redis

将redis01复制一份为redis02

cd /usr/local/redis
cp -r redis01 redis02

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

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。

stream {
        upstream redisbackend {
                server 192.168.200.146:6379;
                server 192.168.200.146:6378;
        }
        server {
                listen  81;
                proxy_pass redisbackend;
        }
}

在这里插入图片描述
准备Tomcat服务器

上传tomcat的安装包，

apache-tomcat-8.5.56.tar.gz

将安装包进行解压缩

tar -zxf apache-tomcat-8.5.56.tar.gz

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;
        }
}

访问测试
在这里插入图片描述

标签： nginx 负载均衡 运维
本文转载自: https://blog.csdn.net/weixin_43994244/article/details/131446205
版权归原作者 言烬 所有， 如有侵权，请联系我们删除。
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