使用Nginx实现HTTP动态负载均衡—《亿级流量网站架构核心技术》

Nginx负载均衡与反向代理—《亿级流量网站架构核心技术》中的负载均衡实现中，每次upstream列表有变更，都需要到服务器进行修改，首先是管理容易出现问题，而且对于upstream服务上线无法自动注册到Nginx upstream列表。因此，我们需要一种服务注册，可以将upstream动态注册到Nginx上，从而实现upstream服务的自动发现。

　　Consul是一款开源的分布式服务注册与发现系统，通过HTTP API可以使得服务注册、发现实现起来非常简单，它支持如下特性。

　　服务注册：服务实现者可以通过HTTP API或DNS方式，将服务注册到Consul。

　　服务发现：服务消费者可以通过HTTP API或DNS方式，从Consul获取服务的IP和PORT。

　　故障检测：支持如TCP、HTTP等方式的健康检查机制，从而当服务有故障时自动摘除。

　　K/V存储：使用K/V存储实现动态配置中心，其使用HTTP长轮询实现变更触发和配置更改。

　　多数据中心：支持多数据中心，可以按照数据中心注册和发现服务，即支持只消费本地机房服务，使用多数据中心集群还可以避免单数据中心的单点故障。

　　Raft算法：Consul使用Raft算法实现集群数据一致性。

　　通过Consul可以管理服务注册与发现，接下来需要有一个与Nginx部署在同一台机器的Agent来实现Nginx配置更改和Nginx重启功能。我们有Confd或者Consul-template两个选择，而Consul-template是Consul官方提供的，我们就选择它了。其使用HTTP长轮询实现变更触发和配置更改（使用Consul的watch命令实现）。也就是说，我们使用Consul-template实现配置模板，然后拉取Consul配置渲染模板来生成Nginx实际配置。

　　除Consul外，还有一个选择是etcd3，其使用了gRPC和protobuf可以说是一个亮点。不过，etcd3目前没有提供多数据中心、故障检测、Web管理界面。

　　1 Consul+Consul-template

　　接下来，让我们看一下如何来实现Nginx动态配置。首先，下图是我们要实现的架构图。

　　

　　1．首先，upstream服务启动，我们通过管理后台向Consule注册服务。

　　2．我们需要在Nginx机器上部署并启动Consul-template Agent，其通过长轮询监听服务变更。

　　3．Consul-template监听到变更后，动态修改upstream列表。

　　4．Consul-template修改完upstream列表后，调用重启Nginx脚本重启Nginx。

　　整个实现过程还是比较简单的，不过，实际生产环境要复杂得多。我们使用了Consul0.7.0和Consul-template0.16.0来实现。

　　Consul-Server

　　首先我们要启动Consul-Server。

　　./consul agent -server -bootstrap-expect 1-data-dir /tmp/consul -bind 0.0.0.0-client 0.0.0.0

　　此处需要使用data-dir指定Agent状态存储位置，bind指定集群通信的地址，client指定客户端通信的地址（如Consul-template与Consul通信）。在启动时还可以使用-ui-dir ./ui/指定Consul Web UI目录，实现通过Web UI管理Consul，然后访问如http://127.0.0.1:8500即可看到控制界面。

　　

　　使用如下HTTP API注册服务。

　　curl -X PUT http://127.0.0.1:8500/v1/catalog/register -d'{"Datacenter": "dc1", "Node":"tomcat", "Address":"192.168.1.1","Service": {"Id" :"192.168.1.1:8080", "Service": "item_jd_tomcat","tags": ["dev"], "Port": 8080}}'

　　curl -X PUT http://127.0.0.1:8500/v1/catalog/register -d'{"Datacenter": "dc1", "Node":"tomcat", "Address":"192.168.1.2","Service": {"Id" :"192.168.1.1:8090", "Service": "item_jd_tomcat","tags": ["dev"], "Port": 8090}}'

　　Datacenter指定数据中心，Address指定服务IP，Service.Id指定服务唯一标识，Service.Service指定服务分组，Service.tags指定服务标签（如测试环境、预发环境等），Service.Port指定服务端口。

　　通过如下HTTP API摘除服务。

　　curl -X PUThttp://127.0.0.1:8500/v1/catalog/deregister -d '{"Datacenter":"dc1", "Node": "tomcat", "ServiceID" :"192.168.1.1:8080"}'

　　通过如下HTTP API发现服务。

　　curlhttp://127.0.0.1:8500/v1/catalog/service/item_jd_tomcat

　　可以看到，通过这几个HTTPAPI可以实现服务注册与发现。更多API请参考https://www.consul.io/docs/agent/http.html。

　　Consul-template

　　接下来我们需要在Consul-template机器上添加一份配置模板item.jd.tomcat.ctmpl。

　　upstream item_jd_tomcat {

　　server 127.0.0.1:1111; #占位server，必须有一个server，否则无法启动

　　{{range service"dev.item_jd_tomcat@dc1"}}

　　server {{.Address}}:{{.Port}} weight=1;

　　{{end}}

　　}

　　service指定格式为：标签.服务@数据中心，然后通过循环输出Address和Port，从而生成Nginx upstream配置。

　　启动Consul-template。

　　./consul-template -consul 127.0.0.1:8500

　　-template./item.jd.tomcat.ctmpl:/usr/servers/nginx/conf/domains/item.jd.tomcat:"./restart.sh"

　　使用consul指定Consul服务器客户端通信地址，template格式是“配置模板:目标配置文件:脚本”，即通过配置模板更新目标配置文件，然后调用脚本重启Nginx。

　　直接通过Nginx include指令将/usr/servers/nginx/conf/domains/item.jd.tomcat包含到nginx.conf配置文件即可，restart.sh脚本代码如下所示。

　　#!/bin/bash

　　ps -fe | grep nginx | grep -v grep

　　if [ $? -ne 0 ]

　　then

　　sudo /usr/servers/nginx/sbin/nginx

　　echo "nginx start"

　　else

　　sudo /usr/servers/nginx/sbin/nginx -s reload

　　echo "nginx reload"

　　fi

　　即如果Nginx没有启动，则启动，否则重启。

　　Java服务

　　建议配合Spring Boot+Consul Java Client实现，我们使用的Consul Java Client如下。

　　

　　com.orbitz.consul

　　consul-client

　　0.12.8

　　

　　如下代码是进行服务注册与摘除。

　　public static void main(String[] args) {

　　//启动嵌入容器（如Tomcat）

　　SpringApplication.run(Bootstrap.class, args);

　　//服务注册

　　Consul consul = Consul.builder().withHostAndPort(HostAndPort.fromString ("192.168.61.129:8500")).build();

　　final AgentClient agentClient = consul.agentClient();

　　String service = "item_jd_tomcat";

　　String address = "192.168.61.1";

　　String tag = "dev";

　　int port= 9080;

　　final String serviceId = address + ":" + port;

　　ImmutableRegistration.Builder builder = ImmutableRegistration.builder();

　　builder.id(serviceId).name(service).address(address).port(port).addTags(tag);

　　agentClient.register(builder.build());

　　//JVM停止时摘除服务

　　Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread() {

　　@Override

　　publicvoid run() {

　　agentClient.deregister(serviceId);

　　}

　　});

　　}

　　在Spring Boot启动后进行服务注册，然后在JVM停止时进行服务摘除。

　　到此我们就实现了动态upstream负载均衡，upstream服务启动后自动注册到Nginx，upstream服务停止时，自动从Nginx上摘除。

　　通过Consul+Consul-template方式，每次发现配置变更都需要reload nginx，而reload是有一定损耗的。而且，如果你需要长连接支持的话，那么当reloadnginx时长连接所在worker进程会进行优雅退出，并当该worker进程上的所有连接都释放时，进程才真正退出（表现为worker进程处于worker process is shutting down）。因此，如果能做到不reload就能动态更改upstream，那么就完美了。对于社区版Nginx目前有三个选择：Tengine的Dyups模块、微博的Upsync和使用OpenResty的balancer_by_lua。微博使用Upsync+Consul实现动态负载均衡，而又拍云使用其开源的slardar（Consul + balancer_by_lua）实现动态负载均衡。

　　2 Consul+OpenResty

　　使用Consul注册服务，使用OpenResty balancer_by_lua实现无reload动态负载均衡，架构如下所示。

　　

　　1．通过upstream server启动/停止时注册服务，或者通过Consul管理后台注册服务。

　　2．Nginx启动时会调用init_by_lua，启动时拉取配置，并更新到共享字典来存储upstream列表；然后通过init_worker_by_lua启动定时器，定期去Consul拉取配置并实时更新到共享字典。

　　3．balancer_by_lua使用共享字典存储的upstream列表进行动态负载均衡。

　　dyna_upstreams.lua模块

　　local http = require("socket.http")

　　local ltn12 = require("ltn12")

　　local cjson = require "cjson"

　　local function update_upstreams()

　　local resp = {}

　　http.request{

　　url="http://192.168.61.129:8500/v1/catalog/service/item_jd_tomcat",

　　sink = ltn12.sink.table(resp)

　　}

　　resp = table.concat(resp)

　　resp =cjson.decode(resp)

　　local upstreams = {{ip="127.0.0.1", port=1111}}

　　for i, vin ipairs(resp) do

　　upstreams[i+1] = {ip=v.Address, port=v.ServicePort}

　　end

　　ngx.shared.upstream_list:set("item_jd_tomcat", cjson.encode (upstreams))

　　end

　　local function get_upstreams()

　　local upstreams_str = ngx.shared.upstream_list:get("item_jd_tomcat")

　　end

　　local _M = {

　　update_upstreams = update_upstreams,

　　get_upstreams = get_upstreams

　　}

　　通过luasockets查询Consul来发现服务，update_upstreams用于更新upstream列表，get_upstreams用于返回upstream列表，此处可以考虑worker进程级别的缓存，减少因为json的反序列化造成的性能开销。

　　还要注意我们使用的luasocket是阻塞API，因为截至本书出版时，OpenResty在init_by_lua和init_worker_by_lua不支持Cosocket（未来会添加支持），所以我们只能使用luasocket，但是，注意这可能会阻塞我们的服务，使用时要慎重。

　　init_*_by_lua配置

　　#存储upstream列表的共享字典

　　lua_shared_dict upstream_list 10m;

　　#Nginx Master进程加载配置文件时执行，用于第一次初始化配置

　　init_by_lua_block {

　　localdyna_upstreams = require "dyna_upstreams";

　　dyna_upstreams.update_upstreams();

　　}

　　#Nginx Worker进程调度，使用ngx.timer.at定时拉取配置

　　init_worker_by_lua_block {

　　local dyna_upstreams = require"dyna_upstreams";

　　local handle = nil;

　　handle =function ()

　　--TODO:控制每次只有一个worker执行

　　dyna_upstreams.update_upstreams();

　　ngx.timer.at(5, handle);

　　end

　　ngx.timer.at(5, handle);

　　}

　　init_worker_by_lua是每个Nginx Worker进程都会执行的代码，所以实际实现时可考虑使用锁机制，保证一次只有一个人处理配置拉取。另外ngx.timer.at是定时轮询，不是走的长轮询，有一定的时延。有个解决方案，是在Nginx上暴露HTTP API，通过主动推送的方式解决。

　　

　　Agent可以长轮询拉取，然后调用HTTPAPI推送到Nginx上，Agent可以部署在Nginx本机或者远程。

　　对于拉取的配置，除了放在内存里，请考虑在本地文件系统中存储一份，在网络出问题时作为托底。

　　upstream配置

　　upstream item_jd_tomcat {

　　server 0.0.0.1; #占位server

　　balancer_by_lua_block {

　　local balancer = require "ngx.balancer"

　　local dyna_upstreams = require "dyna_upstreams";

　　local upstreams = dyna_upstreams.get_upstreams();

　　local ip_port = upstreams[math.random(1,table.getn(upstreams)) ]

　　ngx.log(ngx.ERR, "current :=============", math.random(1,table.getn (upstreams)))

　　balancer.set_current_peer(ip_port.ip, ip_port.port)

　　}

　　}

　　获取upstream列表，实现自己的负载均衡算法，通过ngx.balancer API进行动态设置本次upstream server。通过balancer_by_lua除可以实现动态负载均衡外，还可以实现个性化负载均衡算法。

　　最后，记得使用lua-resty-upstream-healthcheck模块进行健康检查。