nginx负载均衡的5种策略及原理

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

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)
}

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:max_fails次失败后，暂停的时间

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。

2. 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：

nginx负载均衡的5种策略及原理

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。

接下来看下源码。nginx的目录结构很清晰，加权轮询所在路径为nginx-1.0.15/src/http/ngx_http_upstream_round_robin.[c|h]，在源码的基础上，针对重要的、不易理解的地方我加了注释。首先看下ngx_http_upstream_round_robin.h中的重要声明：

从变量命名中就可以大致猜出其作用。解释一下current_weight和weight的区别，前者为权重排序的值，随着处理请求会动态的变化，后者则是配置值，用来恢复初始状态。

接下我们来看下轮询的创建过程。代码如下图：

这里有个tried变量需要做些说明：tried中记录了服务器当前是否被尝试连接过。他是一个位图。如果服务器数量小于32，则只需在一个int中即可记录下所有服务器状态。如果服务器数量大于32，则需在内存池中申请内存来存储。

对该位图数组的使用可参考如下代码：

最后是实际的策略代码，逻辑较简单，代码实现也只有30行。来看代码。

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：

ip hash算法的核心实现请看如下代码：

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。

3 对比测试

了解了以上负载均衡策略，接下来我们来做一些测试。
主要是对比各个策略的均衡性、一致性、容灾性等，从而分析出其中的差异性，根据数据给出各自的适用场景。

为了能够全面、客观的测试nginx的负载均衡策略，我们采用两个测试工具、在不同场景下做测试，以此来降低环境对测试结果造成的影响。

首先给大家介绍测试工具、测试网络拓扑和基本之测试流程。

3.1 测试工具

3.1.1 easyABC

easyABC是百度内部开发的性能测试工具，培训采用epool模型实现，简单易上手，可以模拟GET/POST请求，极限情况下可以提供上万的压力，在团队内部得到广泛使用。

由于被测试对象为反向代理服务器，因此需要在其后端搭建桩服务器，这里用nginx作为桩Web Server，提供最基本的静态文件服务。

3.1.2 polygraph

polygraph是一款免费的性能测试工具，以对缓存服务、代理、交换机等方面的测试见长。它有规范的配置语言PGL（Polygraph Language），为软件提供了强大的灵活性。其工作原理如下图所示：

polygraph提供Client端和Server端，将测试目标nginx放在二者之间，三者之间的网络交互均走http协议，只需配置ip+port即可。

Client端可以配置虚拟robot的个数以及每个robot发请求的速率，并向代理服务器发起随机的静态文件请求，Server端将按照请求的url生成随机大小的静态文件做响应。

选用这个测试软件的一个主要原因：可以产生随机的url作为nginx各种hash策略key。
另外polygraph还提供了日志分析工具，功能比较丰富，感兴趣的同学可以参考附录材料。

3.2. 测试环境

本次测试运行在5台物理机。其中：被测对象单独搭在一台8核机器上，另外四台4核机器分别搭建了easyABC、webserver桩和polygraph。如下图所示：

3.3. 测试方案

给各位介绍一下关键的测试指标：

均衡性：是否能够将请求均匀的发送给后端
一致性：同一个key的请求，是否能落到同一台机器
容灾性：当部分后端机器挂掉时，是否能够正常工作

以上述指标为指导，我们针对如下4个测试场景分别用easyABC和polygraph测试：

场景1      server_*均正常提供服务；
场景2      server_4挂掉，其他正常；
场景3      server_3、server_4挂掉，其他正常；
场景4      server_*均恢复正常服务。

上述四个场景将按照时间顺序进行，每个场景将建立在上一个场景基础上，被测试对象无需做任何操作，以最大程度模拟实际情况。

另外，考虑到测试工具自身的特点，在easyabc上的测试压力在17000左右，polygraph上的测试压力在4000左右。以上测试均保证被测试对象可以正常工作，且无任何notice级别以上（alert/error/warn）的日志出现，在每个场景中记录下server_*的qps用于最后的策略分析。

3.4. 结果

对比在两种测试工具下的测试结果会发现，结果完全一致，因此可以排除测试工具的影响。表1和图1是轮询策略在两种测试工具下的负载情况。

从图表中可以看出，轮询策略对于均衡性和容灾性都可以做到较好的满足。