「Nginx」负载均衡的5种策略及原理

nginx的upstream目前支持的5种方式的分配

1、轮询(默认)
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。
upstream backserver {
server 192.168.0.14;
server 192.168.0.15;
}

2、指定权重
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。
upstream backserver {
server 192.168.0.14 weight=8;
server 192.168.0.15 weight=10;
}

3、IP绑定 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。
upstream backserver {
ip_hash;
server 192.168.0.14:88;
server 192.168.0.15:80;
}

4、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。
upstream backserver {
server server1;
server server2;
fair;
}

5、url_hash(第三方)
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,后端服务器为缓存时比较有效。
upstream backserver {
server squid1:3128;
server squid2:3128;
hash $request_uri;
hash_method crc32;
}

在需要使用负载均衡的server中增加

proxy_pass http://backserver/;
upstream backserver{
ip_hash;
server 127.0.0.1:9090 down; (down 表示当前的server暂时不参与负载)
server 127.0.0.1:8080 weight=2; (weight 默认为1.weight越大,负载的权重就越大)
server 127.0.0.1:6060;
server 127.0.0.1:7070 backup; (其它所有的非backup机器down或者忙的时候,请求backup机器)
}

深入解析:

1 前言

随着网站负载的不断增加,负载均衡(load balance)已不是陌生话题。负载均衡是将流量负载分摊到不同的服务单元,保证服务器的高可用,保证响应足够快,给用户良好的体验。
nginx第一个公开版发布于2004年。2011年发布了1.0版。它的特点是稳定性高、功能强大、资源消耗低。从服务器市场占有率来看,nginx已有与Apache分庭抗礼势头。其中,不得不提到的特性就是其负载均衡功能,这也成了很多公司选择它的主要原因。

我们将从源码的角度介绍nginx的内置负载均衡策略和扩展负载均衡策略,以实际的工业生产为案例,对比各负载均衡策略,为nginx使用者提供一些参考。

  1. 源码剖析

nginx的负载均衡策略可以划分为两大类:内置策略和扩展策略。
内置策略包含加权轮询和ip hash,在默认情况下这两种策略会编译进nginx内核,只需在nginx配置中指明参数即可。扩展策略有很多,如fair、通用hash、consistent hash等,默认不编译进nginx内核。

由于在nginx版本升级中负载均衡的代码没有本质性的变化,因此下面将以nginx1.0.15稳定版为例,从源码角度分析各个策略。

2.1. 加权轮询(weighted round robin)
轮询的原理很简单,首先我们介绍一下轮询的基本流程。如下是处理一次请求的流程图:


图中有两点需要注意:

第一,如果可以把加权轮询算法分为先深搜索和先广搜索,那么nginx采用的是先深搜索算法,即将首先将请求都分给高权重的机器,直到该机器的权值降到了比其他机器低,才开始将请求分给下一个高权重的机器。

第二,当所有后端机器都down掉时,nginx会立即将所有机器的标志位清成初始状态,以避免造成所有的机器都处在timeout的状态,从而导致整个前端被夯住。

2.2. ip hash策略

ip hash是nginx内置的另一个负载均衡策略,流程和轮询很类似,只是其中的算法和具体的策略有些变化。如下图所示


可以看到,hash值既与ip有关又与后端机器的数量有关。经测试,上述算法可以连续产生1045个互异的value,这是此算法硬限制。nginx使用了保护机制,当经过20次hash仍然找不到可用的机器时,算法退化成轮询。

因此,从本质上说,ip hash算法是一种变相的轮询算法,如果两个ip的初始hash值恰好相同,那么来自这两个ip的请求将永远落在同一台服务器上,这为均衡性埋下了较深隐患。

2.3. fair

fair策略是扩展策略,默认不被编译进nginx内核。它根据后端服务器的响应时间判断负载情况,从中选出负载最轻的机器进行分流。
这种策略具有很强的自适应性,但是实际的网络环境往往不是那么简单,因此须慎用。

2.4.通用hash、一致性hash

通用hash和一致性hash也是种扩展策略。通用hash可以以nginx内置的变量为key进行hash,一致性hash采用了nginx内置的一致性hash环,可支持memcache。

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