Nginx的负载均衡 - 整体架构

Nginx版本：1.9.1

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什么是负载均衡

我们知道单台服务器的性能是有上限的，当流量很大时，就需要使用多台服务器来共同提供服务，这就是所谓的集群。

负载均衡服务器，就是用来把经过它的流量，按照某种方法，分配到集群中的各台服务器上。这样一来不仅可以承担

更大的流量、降低服务的延迟，还可以避免单点故障造成服务不可用。一般的反向代理服务器，都具备负载均衡的功能。

负载均衡功能可以由硬件来提供，比如以前的F5设备。也可以由软件来提供，LVS可以提供四层的负载均衡(利用IP和端口)，

Haproxy和Nginx可以提供七层的负载均衡(利用应用层信息)。

来看一个最简单的Nginx负载均衡配置。

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1. http {
2. upstream cluster {
3. server srv1;
4. server srv2;
5. server srv3;
6. }
7. server {
8. listen 80;
9. location / {
10. proxy_pass http://cluster;
11. }
12. }
13. }

通过上述配置，Nginx会作为HTTP反向代理，把访问本机的HTTP请求，均分到后端集群的3台服务器上。

此时使用的HTTP反向代理模块是ngx_http_proxy_module。

一般在upstream配置块中要指明使用的负载均衡算法，比如hash、ip_hash、least_conn。

这里没有指定，所以使用了默认的HTTP负载均衡算法 - 加权轮询。

负载均衡流程图

在描述负载均衡模块的具体实现前，先来看下它的大致流程：

负载均衡模块 

Nginx目前提供的负载均衡模块：

ngx_http_upstream_round_robin，加权轮询，可均分请求，是默认的HTTP负载均衡算法，集成在框架中。

ngx_http_upstream_ip_hash_module，IP哈希，可保持会话。

ngx_http_upstream_least_conn_module，最少连接数，可均分连接。

ngx_http_upstream_hash_module，一致性哈希，可减少缓存数据的失效。

以上负载均衡模块的实现，基本上都遵循一套相似的流程。

1. 指令的解析函数

比如least_conn、ip_hash、hash指令的解析函数。

这些函数在解析配置文件时调用，主要用于：

检查指令参数的合法性

指定peer.init_upstream函数指针的值，此函数用于初始化upstream块。

2. 初始化upstream块

在执行完指令的解析函数后，紧接着会调用所有HTTP模块的init main conf函数。

在执行ngx_http_upstream_module的init main conf函数时，会调用所有upstream块的初始化函数，

即在第一步中指定的peer.init_upstream，主要用于：

创建和初始化后端集群，保存该upstream块的数据

指定peer.init，此函数用于初始化请求的负载均衡数据

来看下ngx_http_upstream_module。

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1. ngx_http_module_t ngx_http_upstream_module_ctx = {
2. ...
3. ngx_http_upstream_init_main_conf, /* init main configuration */
4. ...
5. };

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1. static char *ngx_http_upstream_init_main_conf(ngx_conf_t *cf, void *conf)
2. {
3. ...
4. /* 数组的元素类型是ngx_http_upstream_srv_conf_t */
5. for (i = 0; i < umcf->upstreams.nelts; i++) {
6. /* 如果没有指定upstream块的初始化函数，默认使用round robin的 */
7. init = uscfp[i]->peer.init_upstream ? uscfp[i]->peer.init_upstream :
8. ngx_http_upstream_init_round_robin;
9. if (init(cf, uscfp[i] != NGX_OK) {
10. return NGX_CONF_ERROR;
11. }
12. }
13. ...
14. }

3. 初始化请求的负载均衡数据块

当收到一个请求后，一般使用的反向代理模块（upstream模块）为ngx_http_proxy_module，

其NGX_HTTP_CONTENT_PHASE阶段的处理函数为ngx_http_proxy_handler，在初始化upstream机制的

函数ngx_http_upstream_init_request中，调用在第二步中指定的peer.init，主要用于：

创建和初始化该请求的负载均衡数据块

指定r->upstream->peer.get，用于从集群中选取一台后端服务器（这是我们最为关心的）

指定r->upstream->peer.free，当不用该后端时，进行数据的更新（不管成功或失败都调用）

请求的负载均衡数据块中，一般会有一个成员指向对应upstream块的数据，除此之外还会有自己独有的成员。

"The peer initialization function is called once per request. 
It sets up a data structure that the module will use as it tries to find an appropriate
backend server to service that request; this structure is persistent across backend re-tries,
so it‘s a convenient place to keep track of the number of connection failures, or a computed
hash value. By convention, this struct is called ngx_http_upstream_<module_name>_peer_data_t."

4. 选取一台后端服务器

一般upstream块中会有多台后端，那么对于本次请求，要选定哪一台后端呢？

这时候第三步中r->upstream->peer.get指向的函数就派上用场了：

采用特定的算法，比如加权轮询或一致性哈希，从集群中选出一台后端，处理本次请求。

选定后端的地址保存在pc->sockaddr，pc为主动连接。

函数的返回值：

NGX_DONE：选定一个后端，和该后端的连接已经建立。之后会直接发送请求。

NGX_OK：选定一个后端，和该后端的连接尚未建立。之后会和后端建立连接。

NGX_BUSY：所有的后端（包括备份集群）都不可用。之后会给客户端发送502（Bad Gateway）。

5. 释放一台后端服务器

当不再使用一台后端时，需要进行收尾处理，比如统计失败的次数。

这时候会调用第三步中r->upstream->peer.free指向的函数。

函数参数state的取值：

0，请求被成功处理

NGX_PEER_FAILED，连接失败

NGX_PEER_NEXT，连接失败，或者连接成功但后端未能成功处理请求

一个请求允许尝试的后端数为pc->tries，在第三步中指定。当state为后两个值时：

如果pc->tries不为0，需要重新选取一个后端，继续尝试，此后会重复调用r->upstream->peer.get。

如果pc->tries为0，便不再尝试，给客户端返回502错误码（Bad Gateway）。

在upstream模块的回调

负载均衡模块的功能是从后端集群中选取一台后端服务器，而具体的反向代理功能是由upstream模块实现的，

比如和后端服务器建立连接、向后端服务器发送请求、处理后端服务器的响应等。

我们来看下负载均衡模块提供的几个钩子函数，是在upstream模块的什么地方回调的。

Nginx的HTTP反向代理模块为ngx_http_proxy_module，其NGX_HTTP_CONTENT_PHASE阶段的处理函数为

ngx_http_proxy_handler，每个请求的upstream机制是从这里开始的。

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1. ngx_http_proxy_handler
2. ngx_http_upstream_create /* 创建请求的upstream实例 */
3. ngx_http_upstream_init /* 启动upstream机制 */
4. ngx_htp_upstream_init_request /* 负载均衡模块的入口 */
5. uscf->peer.init(r, uscf) /* 第三步，初始化请求的负载均衡数据块 */
6. ...
7. ngx_http_upstream_connect /* 可能会被ngx_http_upstream_next重复调用 */
8. ngx_event_connect_peer(&u->peer); /* 连接后端 */
9. pc->get(pc, pc->data); /* 第四步，从集群中选取一台后端 */
10. ...
11. /* 和后端建连成功后 */
12. c = u->peer.connection;
13. c->data = r;
14. c->write->handler = ngx_http_upstream_handler; /* 注册的连接的读事件处理函数 */
15. c->read->handler = ngx_http_upstream_handler; /* 注册的连接的写事件处理函数 */
16. u->write_event_handler = ngx_http_upstream_send_request_handler; /* 写事件的真正处理函数 */
17. u->read_event_handler = ngx_http_upstream_process_header; /* 读事件的真正处理函数 */

选定后端之后，在和后端通信的过程中如果发生了错误，会调用ngx_http_upstream_next来继续尝试其它的后端。

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1. ngx_http_upstream_next
2. if (u->peer.sockaddr) {
3. if (ft_type == NGX_HTTP_UPSTREAM_FT_HTTP_403 ||
4. ft_type == NGX_HTTP_UPSTREAM_FT_HTTP_404)
5. state = NGX_PEER_NEXT;
6. else
7. state = NGX_PEER_FAILED;
8. /* 第五步，释放后端服务器 */
9. u->peer.free(&u->peer, u->peer.data, state);
10. u->peer.sockaddr = NULL;
11. }

Reference