怎么解析Nginx負(fù)載均衡策略

這篇文章給大家分享的是有關(guān)怎么解析Nginx負(fù)載均衡策略的內(nèi)容。小編覺得挺實用的，因此分享給大家做個參考，一起跟隨小編過來看看吧。

1 前言

隨著網(wǎng)站負(fù)載的不斷增加，負(fù)載均衡(load  balance)已不是陌生話題。負(fù)載均衡是將流量負(fù)載分?jǐn)偟讲煌姆?wù)單元，保證服務(wù)器的高可用，保證響應(yīng)足夠快，給用戶良好的體驗。

nginx***個公開版發(fā)布于2004年。2011年發(fā)布了1.0版。它的特點是穩(wěn)定性高、功能強(qiáng)大、資源消耗低。從服務(wù)器市場占有率來看，nginx已有與Apache分庭抗禮勢頭。其中，不得不提到的特性就是其負(fù)載均衡功能，這也成了很多公司選擇它的主要原因。

我們將從源碼的角度介紹nginx的內(nèi)置負(fù)載均衡策略和擴(kuò)展負(fù)載均衡策略，以實際的工業(yè)生產(chǎn)為案例，對比各負(fù)載均衡策略，為nginx使用者提供一些參考。

2. 源碼剖析

nginx的負(fù)載均衡策略可以劃分為兩大類：內(nèi)置策略和擴(kuò)展策略。

內(nèi)置策略包含加權(quán)輪詢和ip  hash，在默認(rèn)情況下這兩種策略會編譯進(jìn)nginx內(nèi)核，只需在nginx配置中指明參數(shù)即可。擴(kuò)展策略有很多，如fair、通用hash、consistent  hash等，默認(rèn)不編譯進(jìn)nginx內(nèi)核。

由于在nginx版本升級中負(fù)載均衡的代碼沒有本質(zhì)性的變化，因此下面將以nginx1.0.15穩(wěn)定版為例，從源碼角度分析各個策略。

2.1. 加權(quán)輪詢(weighted round robin)

輪詢的原理很簡單，首先我們介紹一下輪詢的基本流程。如下是處理一次請求的流程圖：

圖中有兩點需要注意：

***，如果可以把加權(quán)輪詢算法分為先深搜索和先廣搜索，那么nginx采用的是先深搜索算法，即將首先將請求都分給高權(quán)重的機(jī)器，直到該機(jī)器的權(quán)值降到了比其他機(jī)器低，才開始將請求分給下一個高權(quán)重的機(jī)器。

第二，當(dāng)所有后端機(jī)器都down掉時，nginx會立即將所有機(jī)器的標(biāo)志位清成初始狀態(tài)，以避免造成所有的機(jī)器都處在timeout的狀態(tài)，從而導(dǎo)致整個前端被夯住。

接下來看下源碼。nginx的目錄結(jié)構(gòu)很清晰，加權(quán)輪詢所在路徑為nginx-1.0.15/src/http/ngx_http_upstream_round_robin.[c|h]，在源碼的基礎(chǔ)上，針對重要的、不易理解的地方我加了注釋。首先看下ngx_http_upstream_round_robin.h中的重要聲明：

從變量命名中就可以大致猜出其作用。解釋一下current_weight和weight的區(qū)別，前者為權(quán)重排序的值，隨著處理請求會動態(tài)的變化，后者則是配置值，用來恢復(fù)初始狀態(tài)。

接下我們來看下輪詢的創(chuàng)建過程。代碼如下圖：

這里有個tried變量需要做些說明：tried中記錄了服務(wù)器當(dāng)前是否被嘗試連接過。他是一個位圖。如果服務(wù)器數(shù)量小于32，則只需在一個int中即可記錄下所有服務(wù)器狀態(tài)。如果服務(wù)器數(shù)量大于32，則需在內(nèi)存池中申請內(nèi)存來存儲。

對該位圖數(shù)組的使用可參考如下代碼：

***是實際的策略代碼，邏輯較簡單，代碼實現(xiàn)也只有30行。來看代碼。

2.2. ip hash策略

ip hash是nginx內(nèi)置的另一個負(fù)載均衡策略，流程和輪詢很類似，只是其中的算法和具體的策略有些變化。如下圖所示：

ip hash算法的核心實現(xiàn)請看如下代碼：

可以看到，hash值既與ip有關(guān)又與后端機(jī)器的數(shù)量有關(guān)。經(jīng)測試，上述算法可以連續(xù)產(chǎn)生1045個互異的value，這是此算法硬限制。nginx使用了保護(hù)機(jī)制，當(dāng)經(jīng)過20次hash仍然找不到可用的機(jī)器時，算法退化成輪詢。

因此，從本質(zhì)上說，ip  hash算法是一種變相的輪詢算法，如果兩個ip的初始hash值恰好相同，那么來自這兩個ip的請求將永遠(yuǎn)落在同一臺服務(wù)器上，這為均衡性埋下了較深隱患。

2.3. fair

fair策略是擴(kuò)展策略，默認(rèn)不被編譯進(jìn)nginx內(nèi)核。它根據(jù)后端服務(wù)器的響應(yīng)時間判斷負(fù)載情況，從中選出負(fù)載最輕的機(jī)器進(jìn)行分流。

這種策略具有很強(qiáng)的自適應(yīng)性，但是實際的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境往往不是那么簡單，因此須慎用。

2.4.通用hash、一致性hash

通用hash和一致性hash也是種擴(kuò)展策略。通用hash可以以nginx內(nèi)置的變量為key進(jìn)行hash，一致性hash采用了nginx內(nèi)置的一致性hash環(huán)，可支持memcache。

3 對比測試

了解了以上負(fù)載均衡策略，接下來我們來做一些測試。

主要是對比各個策略的均衡性、一致性、容災(zāi)性等，從而分析出其中的差異性，根據(jù)數(shù)據(jù)給出各自的適用場景。

為了能夠全面、客觀的測試nginx的負(fù)載均衡策略，我們采用兩個測試工具、在不同場景下做測試，以此來降低環(huán)境對測試結(jié)果造成的影響。

首先給大家介紹測試工具、測試網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜突局疁y試流程。

3.1 測試工具

3.1.1 easyABC

easyABC是百度內(nèi)部開發(fā)的性能測試工具，培訓(xùn)采用epool模型實現(xiàn)，簡單易上手，可以模擬GET/POST請求，極限情況下可以提供上萬的壓力，在團(tuán)隊內(nèi)部得到廣泛使用。

由于被測試對象為反向代理服務(wù)器，因此需要在其后端搭建樁服務(wù)器，這里用nginx作為樁Web Server，提供最基本的靜態(tài)文件服務(wù)。

3.1.2 polygraph

polygraph是一款免費的性能測試工具，以對緩存服務(wù)、代理、交換機(jī)等方面的測試見長。它有規(guī)范的配置語言PGL(Polygraph  Language)，為軟件提供了強(qiáng)大的靈活性。其工作原理如下圖所示：

polygraph提供Client端和Server端，將測試目標(biāo)nginx放在二者之間，三者之間的網(wǎng)絡(luò)交互均走h(yuǎn)ttp協(xié)議，只需配置ip+port即可。

Client端可以配置虛擬robot的個數(shù)以及每個robot發(fā)請求的速率，并向代理服務(wù)器發(fā)起隨機(jī)的靜態(tài)文件請求，Server端將按照請求的url生成隨機(jī)大小的靜態(tài)文件做響應(yīng)。

選用這個測試軟件的一個主要原因：可以產(chǎn)生隨機(jī)的url作為nginx各種hash策略key。

另外polygraph還提供了日志分析工具，功能比較豐富，感興趣的同學(xué)可以參考附錄材料。

3.2. 測試環(huán)境

本次測試運行在5臺物理機(jī)。其中：被測對象單獨搭在一臺8核機(jī)器上，另外四臺4核機(jī)器分別搭建了easyABC、webserver樁和polygraph。如下圖所示：

3.3. 測試方案

給各位介紹一下關(guān)鍵的測試指標(biāo)：

均衡性：是否能夠?qū)⒄埱缶鶆虻陌l(fā)送給后端

一致性：同一個key的請求，是否能落到同一臺機(jī)器

容災(zāi)性：當(dāng)部分后端機(jī)器掛掉時，是否能夠正常工作

以上述指標(biāo)為指導(dǎo)，我們針對如下4個測試場景分別用easyABC和polygraph測試：

場景1 server_*均正常提供服務(wù);

場景2 server_4掛掉，其他正常;

場景3 server_3、server_4掛掉，其他正常;

場景4 server_*均恢復(fù)正常服務(wù)。

上述四個場景將按照時間順序進(jìn)行，每個場景將建立在上一個場景基礎(chǔ)上，被測試對象無需做任何操作，以***程度模擬實際情況。

另外，考慮到測試工具自身的特點，在easyabc上的測試壓力在17000左右，polygraph上的測試壓力在4000左右。以上測試均保證被測試對象可以正常工作，且無任何notice級別以上(alert/error/warn)的日志出現(xiàn)，在每個場景中記錄下server_*的qps用于***的策略分析。

3.4. 結(jié)果

對比在兩種測試工具下的測試結(jié)果會發(fā)現(xiàn)，結(jié)果完全一致，因此可以排除測試工具的影響。表1和圖1是輪詢策略在兩種測試工具下的負(fù)載情況。

從圖表中可以看出，輪詢策略對于均衡性和容災(zāi)性都可以做到較好的滿足。

表2和圖2是fair策略在兩種測試工具下的負(fù)載情況。fair策略受環(huán)境影響非常大，在排除了測試工具的干擾之后，結(jié)果仍然有非常大的抖動。

從直觀上講，這完全不滿足均衡性。但從另一個角度出發(fā)，恰恰是由于這種自適應(yīng)性確保了在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中能夠物盡所用。因此，在應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中之前，需要在具體的環(huán)境中做好測試工作。

以下圖表是各種hash策略，所不同的僅僅是hash  key或者是具體的算法實現(xiàn)，因此一起做對比。實際測試中發(fā)現(xiàn)，通用hash和一致性hash均存在一個問題：當(dāng)某臺后端的機(jī)器掛掉時，原有落到這臺機(jī)器上的流量會丟失，但是在ip  hash中就不存在這樣的問題。

正如上文中對ip hash源碼的分析，當(dāng)ip hash失效時，會退化為輪詢策略，因此不會有丟失流量的情況。從這個層面上說，ip  hash也可以看成是輪詢的升級版。

圖5為ip hash策略，ip hash是nginx內(nèi)置策略，可以看做是前兩種策略的特例：以來源IP為key。

由于測試工具不太擅于模擬海量IP下的請求，因此這里截取線上實際的情況加以分析。如下圖所示：

圖5 IP Hash策略

圖中前1/3使用輪詢策略，中間段使用ip hash策略，后1/3仍然是輪詢策略。可以明顯的看出，ip hash的均衡性存在著很大的問題。

原因并不難分析，在實際的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，有大量的高校出口路由器ip、企業(yè)出口路由器ip等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，這些節(jié)點帶來的流量往往是普通用戶的成百上千倍，而ip  hash策略恰恰是按照ip來劃分流量，因此造成上述后果也就自然而然了。

4 小結(jié)

通過實際的對比測試，我們對nginx各個負(fù)載均衡策略進(jìn)行了驗證。下面從均衡性、一致性、容災(zāi)性以及適用場景等角度對比各種策略。如下圖示：

我們從源碼和實際測試數(shù)據(jù)角度分析說明了nginx負(fù)載均衡的策略，給出了各種策略適合的應(yīng)用場景。通過分析不難發(fā)現(xiàn)，無論哪種策略都不是萬金油，在具體場景下應(yīng)該選擇哪種策略一定程度上依賴于使用者對策略的熟悉程度。

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