早期的网站流量和业务功能都比较简单,单台服务器足以满足基本的需求,但是随着互联网的发展,业务流量越来越大并且业务逻辑也跟着越来越复杂,单台服务器的性能及单点故障问题就凸显出来了,因此需要多台服务器进行性能的水平扩展及避免单点故障出现。那么如何将不同用户的请求流量分发到不同的服务器上呢?
系统的扩展可以分为纵向扩展和横向扩展。
纵向扩展是从单机的角度出发,通过增加系统的硬件处理能力来提升服务器的处理能力
横向扩展是通过添加机器来满足大型网站服务的处理能力。
1、解决服务器的高并发压力,提高应用程序的处理性能。
2、提供故障转移,实现高可用。
3、通过添加或减少服务器数量,增强网站的可扩展性。
4、在负载均衡器上进行过滤,可以提高系统的安全性。
这种方式比较原始,只要实现的方式就是在网站主页上面提供不同线路、不同服务器链接方式,让用户来选择自己访问的具体服务器,来实现负载均衡。无法控制服务的流量
DNS:域名系统(服务)协议(DNS)是一种分布式网络目录服务,主要用于域名与 IP 地址的相互转换。
大多域名注册商都支持对同一个主机名添加多条A记录,这就是DNS轮询,DNS服务器将解析请求按照A记录的顺序,随机分配到不同的IP上,这样就能完成简单的负载均衡。DNS轮询的成本非常低,在一些不重要的服务器,被经常使用。
ipconfig/flushdns
C:\Users\zengqfa>ping www.baidu.com
正在 Ping www.a.shifen.com [183.232.231.172] 具有 32 字节的数据:
来自 183.232.231.172 的回复: 字节=32 时间=12ms TTL=57
来自 183.232.231.172 的回复: 字节=32 时间=13ms TTL=57
来自 183.232.231.172 的回复: 字节=32 时间=13ms TTL=57
来自 183.232.231.172 的回复: 字节=32 时间=13ms TTL=57
183.232.231.172 的 Ping 统计信息:
数据包: 已发送 = 4,已接收 = 4,丢失 = 0 (0% 丢失),
往返行程的估计时间(以毫秒为单位):
最短 = 12ms,最长 = 13ms,平均 = 12ms
C:\Users\zengqfa>ipconfig/flushdns
Windows IP 配置
已成功刷新 DNS 解析缓存。
C:\Users\zengqfa>ping www.baidu.com
正在 Ping www.a.shifen.com [183.232.231.174] 具有 32 字节的数据:
来自 183.232.231.174 的回复: 字节=32 时间=8ms TTL=57
来自 183.232.231.174 的回复: 字节=32 时间=8ms TTL=57
来自 183.232.231.174 的回复: 字节=32 时间=10ms TTL=57
来自 183.232.231.174 的回复: 字节=32 时间=10ms TTL=57
183.232.231.174 的 Ping 统计信息:
数据包: 已发送 = 4,已接收 = 4,丢失 = 0 (0% 丢失),
往返行程的估计时间(以毫秒为单位):
最短 = 8ms,最长 = 10ms,平均 = 9ms
我们发现使用DNS来实现轮询,不需要投入过多的成本,虽然DNS轮询成本低廉,但是DNS负载均衡存在明显的缺点。
1.可靠性低
假设一个域名DNS轮询多台服务器,如果其中的一台服务器发生故障,那么所有的访问该服务器的请求将不会有所回应,即使你将该服务器的IP从DNS中去掉,但是由于各大宽带接入商将众多的DNS存放在缓存中,以节省访问时间,导致DNS不会实时更新。所以DNS轮流上一定程度上解决了负载均衡问题,但是却存在可靠性不高的缺点。
2.负载均衡不均衡
DNS负载均衡采用的是简单的轮询负载算法,不能区分服务器的差异,不能反映服务器的当前运行状态,不能做到为性能好的服务器多分配请求,另外本地计算机也会缓存已经解析的域名到IP地址的映射,这也会导致使用该DNS服务器的用户在一定时间内访问的是同一台Web服务器,从而引发Web服务器减的负载不均衡。
负载不均衡则会导致某几台服务器负荷很低,而另外几台服务器负荷确很高,处理请求的速度慢,配置高的服务器分配到的请求少,而配置低的服务器分配到的请求多。
介绍四/七层负载均衡之前,我们先了解一个概念,OSI(open system interconnection),叫开放式系统互联模型,这个是由国际标准化组织ISO指定的一个不基于具体机型、操作系统或公司的网络体系结构。该模型将网络通信的工作分为七层。
实现四层负载均衡的方式:
硬件:F5 BIG-IP、Radware等
软件:LVS、Nginx、Hayproxy等
所谓的七层负载均衡指的是在应用层,主要是基于虚拟的URL或主机IP的负载均衡
实现七层负载均衡的方式:
软件:Nginx、Hayproxy等
四层和七层负载均衡的区别
四层负载均衡数据包是在底层就进行了分发,而七层负载均衡数据包则在最顶端进行分发,所以四层负载
均衡的效率比七层负载均衡的要高。
四层负载均衡不识别域名,而七层负载均衡识别域名。
处理四层和七层负载以为其实还有二层、三层负载均衡,二层是在数据链路层基于mac地址来实现负载均衡,三层是在网络层一般采用虚拟IP地址的方式实现负载均衡。
实际环境采用的模式
四层负载(LVS)+七层负载(Nginx)
Nginx要实现七层负载均衡需要用到proxy_pass代理模块配置。Nginx默认安装支持这个模块,我们不需要再做任何处理。Nginx的负载均衡是在Nginx的反向代理基础上把用户的请求根据指定的算法分发到一组【upstream虚拟服务池】。
该指令是用来定义一组服务器,它们可以是监听不同端口的服务器,并且也可以是同时监听TCP和Unix socket的服务器。服务器可以指定不同的权重,默认为1。
语法 | upstream name {…} |
---|---|
默认值 | — |
位置 | http |
该指令用来指定后端服务器的名称和一些参数,可以使用域名、IP、端口或者unix socket
语法 | server name [paramerters] |
---|---|
默认值 | — |
位置 | upstream |
server {
listen 9001;
server_name localhost;
default_type text/html;
location /{
return 200 '192.168.75.134:9001
';
}
}
server {
listen 9002;
server_name localhost;
default_type text/html;
location /{
return 200 '192.168.75.134:9002
';
}
}
server {
listen 9003;
server_name localhost;
default_type text/html;
location /{
return 200 '192.168.75.134:9003
';
}
}
负载均衡器设置
upstream backend{
server 192.168.75.134:9001;
server 192.168.75.134:9002;
server 192.168.75.134:9003;
}
server {
listen 8083;
server_name localhost;
location /{
proxy_pass http://backend;
}
}
代理服务器在负责均衡调度中的状态有以下几个:
状态 | 概述 |
---|---|
down | 当前的server暂时不参与负载均衡 |
backup | 预留的备份服务器 |
max_fails | 允许请求失败的次数 |
fail_timeout | 经过max_fails失败后, 服务暂停时间 |
max_conns | 限制最大的接收连接数 |
down:将该服务器标记为永久不可用,那么该代理服务器将不参与负载均衡。
upstream backend{
server 192.168.75.134:9001 down;
server 192.168.75.134:9002;
server 192.168.75.134:9003;
}
server {
listen 8083;
server_name localhost;
location /{
proxy_pass http://backend;
}
}
该状态一般会对需要停机维护的服务器进行设置。
backup:将该服务器标记为备份服务器,当主服务器不可用时,将用来传递请求。
upstream backend{
server 192.168.75.134:9001 down;
server 192.168.75.134:9002 backup;
server 192.168.75.134:9003;
}
server {
listen 8083;
server_name localhost;
location /{
proxy_pass http://backend;
}
}
此时需要将9003端口的访问禁止掉来模拟下唯一能对外提供访问的服务宕机以后,backup的备份服务器就要开始对外提供服务,此时为了测试验证,我们需要使用防火墙来进行拦截。
介绍一个工具firewall-cmd,该工具是Linux提供的专门用来操作firewall的。
查询防火墙中指定的端口是否开放
firewall-cmd --query-port=9001/tcp
如何开放一个指定的端口
firewall-cmd --permanent --add-port=9002/tcp
批量添加开发端口
firewall-cmd --permanent --add-port=9001-9003/tcp
如何移除一个指定的端口
firewall-cmd --permanent --remove-port=9003/tcp
重新加载
firewall-cmd --reload
其中
--permanent表示设置为持久
--add-port表示添加指定端口
--remove-port表示移除指定端口
max_conns=number:用来设置代理服务器同时活动链接的最大数量,默认为0,表示不限制,使用该配置可以根据后端服务器处理请求的并发量来进行设置,防止后端服务器被压垮。
max_fails=number:设置允许请求代理服务器失败的次数,默认为1。
fail_timeout=time:设置经过max_fails失败后,服务暂停的时间,默认是10秒。
upstream backend{
server 192.168.75.134:9001 down;
server 192.168.75.134:9002 backup;
server 192.168.75.134:9003 max_fails=3 fail_timeout=15;
}
server {
listen 8083;
server_name localhost;
location /{
proxy_pass http://backend;
}
}
介绍完Nginx负载均衡的相关指令后,我们已经能实现将用户的请求分发到不同的服务器上,那么除了采用默认的分配方式以外,我们还能采用什么样的负载算法?
Nginx的upstream支持如下六种方式的分配算法,分别是:
算法名称 | 说明 |
---|---|
轮询 | 默认方式 |
weight | 权重方式 |
ip_hash | 依据ip分配方式 |
least_conn | 依据最少连接方式 |
url_hash | 依据URL分配方式 |
fair | 依据响应时间方式 |
是upstream模块负载均衡默认的策略。每个请求会按时间顺序逐个分配到不同的后端服务器。轮询不需要额外的配置。
upstream backend{
server 192.168.75.134:9001 weight=1;
server 192.168.75.134:9002;
server 192.168.75.134:9003;
}
server {
listen 8083;
server_name localhost;
location /{
proxy_pass http://backend;
}
}
weight=number:用来设置服务器的权重,默认为1,权重数据越大,被分配到请求的几率越大;该权重值,主要是针对实际工作环境中不同的后端服务器硬件配置进行调整的,所有此策略比较适合服务器的硬件配置差别比较大的情况。
upstream backend{
server 192.168.75.134:9001 weight=10;
server 192.168.75.134:9002 weight=5;
server 192.168.75.134:9003 weight=3;
}
server {
listen 8083;
server_name localhost;
location /{
proxy_pass http://backend;
}
}
当对后端的多台动态应用服务器做负载均衡时,ip_hash指令能够将某个客户端IP的请求通过哈希算法定位到同一台后端服务器上。这样,当来自某一个IP的用户在后端Web服务器A上登录后,在访问该站点的其他URL,能保证其访问的还是后端web服务器A。
语法 | ip_hash; |
---|---|
默认值 | — |
位置 | upstream |
upstream backend{
ip_hash;
server 192.168.75.134:9001;
server 192.168.75.134:9002;
server 192.168.75.134:9003;
}
server {
listen 8083;
server_name localhost;
location /{
proxy_pass http://backend;
}
}
需要额外多说一点的是使用ip_hash指令无法保证后端服务器的负载均衡,可能导致有些后端服务器接收到的请求多,有些后端服务器接收的请求少,而且设置后端服务器权重等方法将不起作用。
最少连接,把请求转发给连接数较少的后端服务器。轮询算法是把请求平均的转发给各个后端,使它们的负载大致相同;但是,有些请求占用的时间很长,会导致其所在的后端负载较高。这种情况下,least_conn这种方式就可以达到更好的负载均衡效果。
upstream backend{
least_conn;
server 192.168.75.134:9001;
server 192.168.75.134:9002;
server 192.168.75.134:9003;
}
server {
listen 8083;
server_name localhost;
location /{
proxy_pass http://backend;
}
}
此负载均衡策略适合请求处理时间长短不一造成服务器过载的情况。
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,要配合缓存命中来使用。同一个资源多次请求,可能会到达不同的服务器上,导致不必要的多次下载,缓存命中率不高,以及一些资源时间的浪费。而使用url_hash,可以使得同一个url(也就是同一个资源请求)会到达同一台服务器,一旦缓存住了资源,再此收到请求,就可以从缓存中读取。
upstream backend{
hash $request_uri;
server 192.168.75.134:9001;
server 192.168.75.134:9002;
server 192.168.75.134:9003;
}
server {
listen 8083;
server_name localhost;
location /{
proxy_pass http://backend;
}
}
访问如下地址:
http://192.168.75.131:8083/a
http://192.168.75.131:8083/b
http://192.168.75.131:8083/c
http://192.168.75.131:8083/d
C:\Users\zengqfa>curl http://192.168.75.131:8083/a
<h1>192.168.75.134:9002</h1>
C:\Users\zengqfa>curl http://192.168.75.131:8083/b
<h1>192.168.75.134:9003</h1>
C:\Users\zengqfa>curl http://192.168.75.131:8083/c
<h1>192.168.75.134:9002</h1>
C:\Users\zengqfa>curl http://192.168.75.131:8083/d
<h1>192.168.75.134:9001</h1>
fair采用的不是内建负载均衡使用的轮换的均衡算法,而是可以根据页面大小、加载时间长短智能的进行负载均衡。那么如何使用第三方模块的fair负载均衡策略。
upstream backend{
fair;
server 192.168.75.134:9001;
server 192.168.75.134:9002;
server 192.168.75.134:9003;
}
server {
listen 8083;
server_name localhost;
location /{
proxy_pass http://backend;
}
}
但是如何直接使用会报错,因为fair属于第三方模块实现的负载均衡。需要添加nginx-upstream-fair,如何添加对应的模块:
下载地址为:
https://github.com/gnosek/nginx-upstream-fair
unzip nginx-upstream-fair-master.zip
mv nginx-upstream-fair-master fair
./configure --add-module=/root/fair
make
编译可能会出现如下错误,ngx_http_upstream_srv_conf_t结构中缺少default_port
in_port_t default_port
6.1 将sbin目录下的nginx进行备份
mv /usr/local/nginx/sbin/nginx /usr/local/nginx/sbin/nginxold
6.2 将安装目录下的objs中的nginx拷贝到sbin目录
cd objs
cp nginx /usr/local/nginx/sbin
6.3 更新Nginx
cd ../
make upgrade
上面介绍了Nginx常用的负载均衡的策略,有人说是5种,是把轮询和加权轮询归为一种,也有人说是6种。那么在咱们以后的开发中到底使用哪种,这个需要根据实际项目的应用场景来决定的。
upstream backend{
server 192.168.75.134:9001;
server 192.168.75.134:9002;
server 192.168.75.134:9003;
}
server {
listen 8083;
server_name localhost;
location /{
proxy_pass http://backend;
}
}
upstream backend{
server 192.168.75.134:9001 weight=7;
server 192.168.75.134:9002 weight=5;
server 192.168.75.134:9003 weight=3;
}
server {
listen 8083;
server_name localhost;
location /{
proxy_pass http://backend;
}
}
服务端[192.168.75.134]:
server {
listen 9001;
server_name localhost;
default_type text/html;
return 200 '192.168.75.134:9001
';
}
server {
listen 9002;
server_name localhost;
default_type text/html;
return 200 '192.168.75.134:9002
';
}
server {
listen 9003;
server_name localhost;
default_type text/html;
return 200 '192.168.75.134:9003
';
}
server {
listen 9004;
server_name localhost;
default_type text/html;
return 200 '192.168.75.134:9004
';
}
客户端[192.168.75.131]:
upstream videobackend{
server 192.168.75.134:9001;
server 192.168.75.134:9002;
}
upstream filebackend{
server 192.168.75.134:9003;
server 192.168.75.134:9004;
}
server {
listen 8084;
server_name localhost;
location /video/ {
proxy_pass http://videobackend;
}
location /file/ {
proxy_pass http://filebackend;
}
}
测试:
C:\Users\zengqfa>curl http://192.168.75.131:8084/video/
<h1>192.168.75.134:9002</h1>
C:\Users\zengqfa>curl http://192.168.75.131:8084/video/
<h1>192.168.75.134:9001</h1>
C:\Users\zengqfa>curl http://192.168.75.131:8084/file/
<h1>192.168.75.134:9004</h1>
C:\Users\zengqfa>curl http://192.168.75.131:8084/file/
<h1>192.168.75.134:9003</h1>
修改hosts文件:
192.168.75.131 www.slfxitem.cn
192.168.75.131 www.slfxorder.cn
upstream itembackend{
server 192.168.75.134:9001;
server 192.168.75.134:9002;
}
upstream orderbackend{
server 192.168.75.134:9003;
server 192.168.75.134:9004;
}
server {
listen 8085;
server_name www.slfxitem.cn;
location / {
proxy_pass http://itembackend;
}
}
server {
listen 8086;
server_name www.slfxorder.cn;
location / {
proxy_pass http://orderbackend;
}
}
测试:
C:\Users\zengqfa>curl www.slfxitem.cn:8085
<h1>192.168.75.134:9001</h1>
C:\Users\zengqfa>curl www.slfxitem.cn:8085
<h1>192.168.75.134:9002</h1>
C:\Users\zengqfa>curl www.slfxorder.cn:8086
<h1>192.168.75.134:9003</h1>
C:\Users\zengqfa>curl www.slfxorder.cn:8086
<h1>192.168.75.134:9004</h1>
upstream backend{
server 192.168.75.134:9001;
server 192.168.75.134:9002;
server 192.168.75.134:9003;
}
server {
listen 8087;
server_name localhost;
location /file/ {
rewrite ^(/file/.*) /server/$1 last;
}
location /server {
proxy_pass http://backend;
}
}
测试:
C:\Users\zengqfa>curl http://192.168.75.131:8087/file/
<h1>192.168.75.134:9001</h1>
C:\Users\zengqfa>curl http://192.168.75.131:8087/file/
<h1>192.168.75.134:9002</h1>
C:\Users\zengqfa>curl http://192.168.75.131:8087/file/
<h1>192.168.75.134:9003</h1>
Nginx在1.9之后,增加了一个stream模块,用来实现四层协议的转发、代理、负载均衡等。stream模块的用法跟http的用法类似,允许我们配置一组TCP或者UDP等协议的监听,然后通过proxy_pass来转发我们的请求,通过upstream添加多个后端服务,实现负载均衡。
四层协议负载均衡的实现,一般都会用到LVS、HAProxy、F5等,要么很贵要么配置很麻烦,而Nginx的配置相对来说更简单,更能快速完成工作。
添加stream模块的支持
Nginx默认是没有编译这个模块的,需要使用到stream模块,那么需要在编译的时候加上–with-stream。
完成添加–with-stream的实现步骤:
》将原有/usr/local/nginx/sbin/nginx进行备份
》拷贝nginx之前的配置信息
》在nginx的安装源码进行配置指定对应模块 ./configure --with-stream
》通过make模板进行编译
》将objs下面的nginx移动到/usr/local/nginx/sbin下
》在源码目录下执行 make upgrade进行升级,这个可以实现不停机添加新模块的功能
该指令提供在其中指定流服务器指令的配置文件上下文。和http指令同级。
语法 | stream { … } |
---|---|
默认值 | — |
位置 | main |
该指令和http的upstream指令是类似的。
(1)准备Redis服务器,在一条服务器上准备两个Redis,端口分别是6379,6378
1.下载redis的安装包
wget http://download.redis.io/releases/redis-5.0.4.tar.gz
2.将安装包进行解压缩
tar -xzvf redis-5.0.4.tar.gz
3.进入redis的安装包
cd redis-5.0.4
4.使用make和install进行编译和安装
mkdir -p /usr/local/redis/redis01
make PREFIX=/usr/local/redis/redis01 install
5.拷贝redis配置文件redis.conf到/usr/local/redis/redis01/bin目录中
cp redis.conf /usr/local/redis/redis01/bin
6.修改redis.conf配置文件
cd /usr/local/redis/redis01/bin
port 6379 #redis的端口
daemonize yes #后台启动redis
bind 0.0.0.0 #允许远程客户端连接redis
7.将redis01复制一份为redis02
cd /usr/local/redis
cp -r redis01 redis02
8.将redis02文件文件夹中的redis.conf进行修改
cd redis02/bin/
port 6378 #redis的端口
daemonize yes #后台启动redis
bind 0.0.0.0 #允许远程客户端连接redis
9.分别启动,即可获取两个Redis.并查看
./redis-server redis.conf
[root@k8snode2 bin]# ps -ef|grep redis
root 90408 1 0 16:31 ? 00:00:00 ./redis-server 127.0.0.1:6378
root 90688 1 0 16:32 ? 00:00:00 ./redis-server 127.0.0.1:6379
root 90693 3907 0 16:32 pts/2 00:00:00 grep --color=auto redis
使用Nginx将请求分发到不同的Redis服务器上。
(2)准备Tomcat服务器.
1.上传tomcat的安装包,apache-tomcat-8.5.27.tar.gz
2.将安装包进行解压缩
tar -zxf apache-tomcat-8.5.27.tar.gz
3.进入tomcat的bin目录
cd apache-tomcat-8.5.27/bin
chmod 777 *.sh
sudo sh startup.sh
查看首页:http://192.168.75.134:8080/
在代理服务器[ 192.168.75.131]上的nginx.conf进行配置
stream {
upstream redisbackend {
server 192.168.75.134:6379;
server 192.168.75.134:6378;
}
upstream tomcatbackend {
server 192.168.75.134:8080;
}
server {
listen 81;
proxy_pass redisbackend;
}
server {
listen 82;
proxy_pass tomcatbackend;
}
}
访问测试redis
准备数据:连接两台redis,分别对同一个key设置不同的值
F:\Redis-x64-5.0.14>redis-cli -h 192.168.75.134 -p 6378
192.168.75.134:6378> set slfx 6378
OK
192.168.75.134:6378> ^C
F:\Redis-x64-5.0.14>redis-cli -h 192.168.75.134 -p 6379
192.168.75.134:6379> set slfx 6379
OK
通过redis连接
F:\Redis-x64-5.0.14>redis-cli -h 192.168.75.131 -p 81
192.168.75.131:81> get slfx
"6379"
192.168.75.131:81> ^C
F:\Redis-x64-5.0.14>redis-cli -h 192.168.75.131 -p 81
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"6378"
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