nginx做负载均衡器以及proxy缓存配置

2021-12-22 04:30:42

关于nginx的安装和基本配置请参考nginx，本文在原基础上完成以下几个功能：

结合proxy和upstream模块实现nginx负载均衡
结合nginx_upstream_check_module模块实现后端服务器的健康检查
使用nginx-sticky-module扩展模块实现Cookie会话黏贴（session-sticky效果）
使用proxy模块实现静态文件缓存
使用ngx_cache_purge实现更强大的缓存清除功能

更多内容见我的博客 http://seanlook.com/ 。

1. 安装及模块说明

上面提到的3个模块都属于第三方扩展模块，需要提前下好源码，然后编译时通过--add-moudle=src_path一起安装。

注意：

使用 nginx_upstream_check_module(简记为m1) 时要先为nginx打上相应版本的patch，我的nginx版本为 1.6.3，所以patch对应 m1 解压后目录下的check_1.5.12+.patch，所以进入nginx源码目录，执行 patch -p1 ...（见下方示例）
nginx-sticky-module-ng(简记为m2) 模块可以单独使用，但是因为m1监控检查的方式是依赖于m2的，所以要使用m2，还要对m1打上patch，进入m2源码目录，执行 patch -p0...

编译示例：（CentOS 6.5 x86_64, nginx 1.6.3）

# yum -y install gcc gcc-c++ make libtool zlib zlib-devel openssl openssl--devel pcre pcre-devel

# cd nginx-1.6.3
# patch -p1 < ../nginx_upstream_check_module-0.3.0/check_1.5.12+.patch

# cd ../nginx-sticky-module-ng-1.2.5
# patch -p0 < ../nginx_upstream_check_module-0.3.0/nginx-sticky-module.patch

# ./configure --prefix=/usr/local/nginx-1.6 --with-pcre 
--with-http_stub_status_module --with-http_ssl_module --with-http_gzip_static_module --with-http_realip_module 
--add-module=../nginx_upstream_check_module-0.3.0 --add-module=../nginx-sticky-module-ng-1.2.5 --add-module=../ngx_cache_purge-2.3
# make && make install

如果你想在已安装好的nginx上添加第三方模块，依然需要重新编译，但为了不覆盖你原有的配置，请不要make install，而是直接拷贝可执行文件：

# nginx -V              //可以看到原来的编译选项，下面用到
# ./configure ... --add-module=..       //你的第三方模块
# make           //make后不要install，改用手动拷贝。先备份
# cp objs/nginx /usr/local/nginx-1.6/sbin/nginx

2. nginx-sticky-module

项目地址：https://bitbucket.org/nginx-goodies/nginx-sticky-module-ng

这个模块的作用是通过cookie黏贴的方式将来自同一个客户端（浏览器）的请求发送到同一个后端服务器上处理，这样一定程度上可以解决多个backend servers的session同步的问题 —— 因为不再需要同步，而RR轮询模式必须要运维人员自己考虑session同步的实现。

另外内置的 ip_hash 也可以实现根据客户端IP来分发请求，但它很容易造成负载不均衡的情况，而如果nginx前面有CDN网络或者来自同一局域网的访问，它接收的客户端IP是一样的，容易造成负载不均衡现象。淘宝Tengine的 ngx_http_upstream_session_sticky_module 也是类似的功能。nginx-sticky-module的cookie过期时间，默认浏览器关闭就过期，也就是会话方式。

这个模块并不合适不支持 Cookie 或手动禁用了cookie的浏览器，此时默认sticky就会切换成RR。它不能与ip_hash同时使用。

2.1 sticky配置

upstream backend {
    server 172.29.88.226:8080 weight=1;
    server 172.29.88.227:8080 weight=1;
    sticky;
}

配置起来超级简单，一般来说一个sticky指令就够了。

sticky [name=route] [domain=.foo.bar] [path=/] [expires=1h] [hash=index|md5|sha1] [no_fallback];：

name: 可以为任何的 string 字符,默认是 route
domain：哪些域名下可以使用这个 cookie
path：哪些路径对启用 sticky，例如 path/test，那么只有 test 这个目录才会使用 sticky 做负载均衡
expires：cookie 过期时间，默认浏览器关闭就过期，也就是会话方式。
no_fallbackup：如果设置了这个，cookie 对应的服务器宕机了，那么将会返回502（bad gateway 或者 proxy error），建议不启用

你在查看官方文档可能会注意到里面也有个 sticky 指令，要说它们的作用几乎是一样的，但是你可能注意到This directive is available as part of our commercial subscription.的说明 —— 这是nginx商业版本里才有的特性。包括后面的check指令，在nginx的商业版本里也有对应的health_check（配在 location ）实现几乎一样的监控检查功能。

2.2 load-balance其它调度方案

这里顺带介绍一下nginx的负载均衡模块支持的其它调度算法：

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，如果后端某台服务器宕机，故障系统被自动剔除，使用户访问不受影响。Weight 指定轮询权值，Weight值越大，分配到的访问机率越高，主要用于后端每个服务器性能不均的情况下。
ip_hash ：每个请求按访问IP的hash结果分配，这样来自同一个IP的访客固定访问一个后端服务器，有效解决了动态网页存在的session共享问题。当然如果这个节点不可用了，会发到下个节点，而此时没有session同步的话就注销掉了。
least_conn ：请求被发送到当前活跃连接最少的realserver上。会考虑weight的值。
url_hash ：此方法按访问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，可以进一步提高后端缓存服务器的效率。Nginx本身是不支持url_hash的，如果需要使用这种调度算法，必须安装Nginx 的hash软件包 nginx_upstream_hash 。
fair ：这是比上面两个更加智能的负载均衡算法。此种算法可以依据页面大小和加载时间长短智能地进行负载均衡，也就是根据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。Nginx本身是不支持fair的，如果需要使用这种调度算法，必须下载Nginx的 upstream_fair 模块。

3. 负载均衡与健康检查

严格来说，nginx自带是没有针对负载均衡后端节点的健康检查的，但是可以通过默认自带的 ngx_http_proxy_module 模块和 ngx_http_upstream_module 模块中的相关指令来完成当后端节点出现故障时，自动切换到下一个节点来提供访问。

3.1 load-balance示例

upstream backend {
    ip_hash;
    server 172.29.88.226:8080 weight 2;
    server 172.29.88.226:8080 weight=1 max_fails=2 fail_timeout=30s ;
    server 172.29.88.227:8080 backup;
}
server {
    location / {
        proxy_pass http://backend;
        proxy_next_upstream error timeout invalid_header http_500 http_502 http_503 http_504;
    }

weight ：轮询权值也是可以用在ip_hash的，默认值为1
max_fails ：允许请求失败的次数，默认为1。当超过最大次数时，返回proxy_next_upstream 模块定义的错误。
fail_timeout ：有两层含义，一是在 30s 时间内最多容许 2 次失败；二是在经历了 2 次失败以后，30s时间内不分配请求到这台服务器。
backup ：预留的备份机器。当其他所有的非backup机器出现故障的时候，才会请求backup机器，因此这台机器的压力最轻。（为什么我的1.6.3版本里配置backup启动nginx时说invalid parameter "backup"？）
max_conns：限制同时连接到某台后端服务器的连接数，默认为0即无限制。因为queue指令是commercial，所以还是保持默认吧。
proxy_next_upstream ：这个指令属于 http_proxy 模块的，指定后端返回什么样的异常响应时，使用另一个realserver

3.2 nginx_upstream_check_module

nginx_upstream_check_module 是专门提供负载均衡器内节点的健康检查的外部模块，由淘宝的姚伟斌大神开发，通过它可以用来检测后端 realserver 的健康状态。如果后端 realserver 不可用，则后面的请求就不会转发到该节点上，并持续检查几点的状态。在淘宝自己的 tengine 上是自带了该模块。项目地址：https://github.com/yaoweibin/nginx_upstream_check_module 。

下面的是一个带后端监控检查的 nginx.conf 配置：

upstream backend {
    sticky;     # or simple round-robin
    server 172.29.88.226:8080 weight=2;
    server 172.29.88.226:8081 weight=1 max_fails=2 fail_timeout=30s ;
    server 172.29.88.227:8080 weight=1 max_fails=2 fail_timeout=30s ;
    server 172.29.88.227:8081;

    check interval=5000 rise=2 fall=3 timeout=1000 type=http;
    check_http_send "HEAD / HTTP/1.0\r\n\r\n";
    check_http_expect_alive http_2xx http_3xx;
}
server {
    location / {
        proxy_pass http://backend;
    }
    location /status {
        check_status;
        access_log   off;
        allow 172.29.73.23;
        deny all;
    }

上面配置的意思是，对name这个负载均衡条目中的所有节点，每个5秒检测一次，请求2次正常则标记 realserver状态为up，如果检测 3 次都失败，则标记 realserver的状态为down，超时时间为1秒。

check指令只能出现在upstream中：

interval ：向后端发送的健康检查包的间隔。
fall ：如果连续失败次数达到fall_count，服务器就被认为是down。
rise ：如果连续成功次数达到rise_count，服务器就被认为是up。
timeout ：后端健康请求的超时时间。
default_down ：设定初始时服务器的状态，如果是true，就说明默认是down的，如果是false，就是up的。默认值是true，也就是一开始服务器认为是不可用，要等健康检查包达到一定成功次数以后才会被认为是健康的。
type：健康检查包的类型，现在支持以下多种类型
- tcp：简单的tcp连接，如果连接成功，就说明后端正常。
- http：发送HTTP请求，通过后端的回复包的状态来判断后端是否存活。
- ajp：向后端发送AJP协议的Cping包，通过接收Cpong包来判断后端是否存活。
- ssl_hello：发送一个初始的SSL hello包并接受服务器的SSL hello包。
- mysql: 向mysql服务器连接，通过接收服务器的greeting包来判断后端是否存活。
- fastcgi：发送一个fastcgi请求，通过接受解析fastcgi响应来判断后端是否存活
port: 指定后端服务器的检查端口。你可以指定不同于真实服务的后端服务器的端口，比如后端提供的是443端口的应用，你可以去检查80端口的状态来判断后端健康状况。默认是0，表示跟后端server提供真实服务的端口一样。该选项出现于Tengine-1.4.0。

如果 type 为 http ，你还可以使用check_http_send来配置http监控检查包发送的请求内容，为了减少传输数据量，推荐采用 HEAD 方法。当采用长连接进行健康检查时，需在该指令中添加keep-alive请求头，如： HEAD / HTTP/1.1\r\nConnection: keep-alive\r\n\r\n 。当采用 GET 方法的情况下，请求uri的size不宜过大，确保可以在1个interval内传输完成，否则会被健康检查模块视为后端服务器或网络异常。

check_http_expect_alive指定HTTP回复的成功状态，默认认为 2XX 和 3XX 的状态是健康的。

4. nginx的proxy缓存使用

nginx的页面缓存功能与上面的负载均衡和健康检查是没有关系的，放在这里一是因为懒得再起一篇文章，二是再有load-balance的地方一般都会启用缓存的。

缓存也就是将js、css、image等静态文件从tomcat缓存到nginx指定的缓存目录下，既可以减轻tomcat负担，也可以加快访问速度，但这样缓存及时清理成为了一个问题，所以需要 ngx_cache_purge 这个模块来在过期时间未到之前，手动清理缓存。（这里有篇文章，对比使用缓存、不使用缓存、使用动静分离三种情况下，高并发性能比较。使用代理缓存功能性能会高出很多倍）

http {
    ... // $upstream_cache_status记录缓存命中率
    log_format  main  '$remote_addr - $remote_user [$time_local] "$request" '
                      '$status $body_bytes_sent "$http_referer" '
                      '"$http_user_agent" "$http_x_forwarded_for"'
                      '"$upstream_cache_status"';

    proxy_temp_path   /usr/local/nginx-1.6/proxy_temp;
    proxy_cache_path /usr/local/nginx-1.6/proxy_cache levels=1:2 keys_zone=cache_one:100m inactive=2d max_size=2g;

    server {
        listen       80; 
        server_name  ittest.example.com;
        root   html;
        index  index.html index.htm index.jsp;

        location ~ .*\.(gif|jpg|png|html|css|js|ico|swf|pdf)(.*) {
            proxy_pass  http://backend;
            proxy_redirect off;
            proxy_set_header Host $host;
            proxy_set_header   X-Real-IP   $remote_addr;
            proxy_set_header   X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;

            proxy_cache cache_one;
            add_header Nginx-Cache $upstream_cache_status;
            proxy_cache_valid  200 304 301 302 8h;
            proxy_cache_valid 404 1m;
            proxy_cache_valid  any 2d;
            proxy_cache_key $host$uri$is_args$args;
            expires 30d;
        }

        location ~ /purge(/.*) {
            #设置只允许指定的IP或IP段才可以清除URL缓存。
            allow   127.0.0.1;
            allow   172.29.73.0/24;
            deny    all;
            proxy_cache_purge  cache_one $host$1$is_args$args;
            error_page 405 =200 /purge$1;
        }
    }
}

说明

proxy_temp_path ：缓存临时目录。后端的响应并不直接返回客户端，而是先写到一个临时文件中，然后被rename一下当做缓存放在 proxy_cache_path 。0.8.9版本以后允许temp和cache两个目录在不同文件系统上（分区），然而为了减少性能损失还是建议把它们设成一个文件系统上。
proxy_cache_path ... ：设置缓存目录，目录里的文件名是 cache_key 的MD5值。
levels=1:2 keys_zone=cache_one:50m表示采用2级目录结构，Web缓存区名称为cache_one，内存缓存空间大小为100MB，这个缓冲zone可以被多次使用。文件系统上看到的缓存文件名类似于 /usr/local/nginx-1.6/proxy_cache/c/29/b7f54b2df7773722d382f4809d65029c 。
inactive=2d max_size=2g表示2天没有被访问的内容自动清除，硬盘最大缓存空间为2GB，超过这个大学将清除最近最少使用的数据。
proxy_cache ：引用前面定义的缓存区 cache_one
proxy_cache_key ：定义cache_key
proxy_cache_valid ：为不同的响应状态码设置不同的缓存时间，比如200、302等正常结果可以缓存的时间长点，而404、500等缓存时间设置短一些，这个时间到了文件就会过期，而不论是否刚被访问过。
expires ：在响应头里设置Expires:或Cache-Control:max-age，返回给客户端的浏览器缓存失效时间。

关于缓存的失效期限上面有三个选项：X-Accel-Expires、inactive、proxy_cache_valid、expires，它们之间是有优先级的，按上面的顺序如果在header里设置 X-Accel-Expires 则它的优先级最高，否则inactive优先级最高。更多资料请参考 nginx缓存优先级或这里。

清除缓存

上述配置的proxy_cache_purge指令用于方便的清除缓存，但必须按照第三方的 ngx_cache_purge 模块才能使用，项目地址：https://github.com/FRiCKLE/ngx_cache_purge/ 。

使用 ngx_cache_purge 模块清除缓存有2种办法（直接删除缓存目录下的文件也算一种办法）：

echo发送PURGE指令
proxy_cache_purge PURGE from 127.0.0.1表示只允许在来自本地的清除指令

# echo -e 'PURGE / HTTP/1.0\r\n' | nc 127.0.0.1 80

GET方式请求URL
即使用配置文件中的location ~ /purge(/.*)，浏览器访问http://ittest.example.com/purge/your/may/path来清除缓存，或者echo -e 'GET /purge/ HTTP/1.0\r\n' | nc ittest.example.com 80

码农公寓