反向代理，负载均衡——nginx理论

nginx是什么？

　　nginx是一个强大的web服务器软件，用于处理高并发的http请求和作为反向代理服务器做负载均衡。具有高性能、轻量级、内存消耗少，强大的负载均衡能力等优势。

 nginx架构？

　　如上官方示意图所示，nginx启动以后，会在系统中以daemon的方式在后台运行，其中包括一个master进程，n(n>=1)个worker进程。

　　其中，master进程用于接收来自外界的信号，并给worker进程发送信号，同时监控worker进程的工作状态。

       worker进程则是外部请求真正的处理者，每个worker请求相互独立且平等的竞争来自客户端的请求。请求只能在一个worker进程中被处理，且一个worker进程只有一个主线程，所以同时只能处理一个请求。那么问题来了，一个worker进程只有一个主线程，只能同时处理一个请求，nginx对高并发请求强大的处理能力是如何保证的呢？答案是nginx采用异步非阻塞的方式来处理请求，即单线程、非阻塞、异步IO的工作模型。对比apache的异步非阻塞版本的工作模式，apache会为每一个请求新建一个线程去处理请求，线程进行上下文切换，会造成内存和CPU的浪费。反看nginx的异步非阻塞io模式，实用操作系统提供的io多路复用技术(epoll)，在一个线程中处理所有请求，当一个io操作开始的时候，nginx不会等待其完成就回去处理下一个请求，等到io操作完成后，nginx再回来处理这一次请求io操作的后续工作。相比apache，nginx省去了线程上下文切换带来的资源开销。

       那么nginx如何确定哪个worker来处理请求呢？首先，每个worker进程都是从master进程fork过来，在master进程里面，先建立好需要listen的socket（listenfd）之后，然后再fork出多个worker进程。所有worker进程的listenfd会在新连接到来时变得可读，为保证只有一个进程处理该连接，所有worker进程在注册listenfd读事件前抢accept_mutex，抢到互斥锁的那个进程注册listenfd读事件，在读事件里调用accept接受该连接。当一个worker进程在accept这个连接之后，就开始读取请求，解析请求，处理请求，产生数据后，再返回给客户端，最后才断开连接，这样一个完整的请求就是这样的了。这样，一个请求，完全由worker进程来处理，而且只在一个worker进程中处理。

 nginx性能？

       这里援引网上搜索到的nginx的测试数据：10000个非活跃的HTTP keep-alive 连接仅占用约2.5MB内存。三万并发连接下，10个Nginx进程，消耗内存150M。淘宝tengine团队说测试结果是“24G内存机器上，处理并发请求可达200万”。

 nginx负载均衡？

       通信协议支持：nginx负载均衡主要是对七层网络通信模型中的第七层应用层上的http、https进行支持。同时nginx更新版本也在逐步对Websocket、SPDY等协议作出支持。

nginx是以反向代理的方式进行负载均衡的。反向代理（Reverse Proxy）方式是指以代理服务器来接受Internet上的连接请求，然后将请求转发给内部网络上的服务器，并将从服务器上得到的结果返回给Internet上请求连接的客户端，此时代理服务器对外就表现为一个服务器。(为了理解反向代理，这里插播一条什么是正向代理：正向代理指的是，一个位于客户端和原始服务器之间的服务器，为了从原始服务器取得内容，客户端向代理发送一个请求并指定目标(原始服务器)，然后代理向原始服务器转交请求并将获得的内容返回给客户端。)

       这里再插播一条实现负载均衡的技术的方式有哪些：硬件层面有F5负载均衡器，网络层层面有LVS(Linux Virtual Server)，应用层层面就是nginx、Haproxy等。

       nginx实现负载均衡的分配策略有很多，被编进nginx内核的策略有轮询和ip_hash，第三方的有fair、url_hash等。这里主要对内核策略进行介绍。

Nginx负载均衡算法

    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，如果后端某台服务器死机，自动剔除故障系统，使用户访问不受影响。

    2、weight（轮询权值）

        weight的值越大分配到的访问概率越高，主要用于后端每台服务器性能不均衡的情况下。或者仅仅为在主从的情况下设置不同的权值，达到合理有效的地利用主机资源。

    3、ip_hash

        每个请求按访问IP的哈希结果分配，使来自同一个IP的访客固定访问一台后端服务器，并且可以有效解决动态网页存在的session共享问题。

    4、fair

        比weight、ip_hash更加智能的负载均衡算法，fair算法可以根据页面大小和加载时间长短智能地进行负载均衡，也就是根据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。Nginx本身不支持fair，如果需要这种调度算法，则必须安装upstream_fair模块。

    5、url_hash

        按访问的URL的哈希结果来分配请求，使每个URL定向到一台后端服务器，可以进一步提高后端缓存服务器的效率。Nginx本身不支持url_hash，如果需要这种调度算法，则必须安装Nginx的hash软件包。

Nginx负载均衡调度状态

  在Nginx upstream模块中，可以设定每台后端服务器在负载均衡调度中的状态，常用的状态有：

    1、down，表示当前的server暂时不参与负载均衡

    2、backup，预留的备份机器。当其他所有的非backup机器出现故障或者忙的时候，才会请求backup机器，因此这台机器的访问压力最低

    3、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。

    4、fail_timeout，请求失败超时时间，在经历了max_fails次失败后，暂停服务的时间。max_fails和fail_timeout可以一起使用。

Nginx负载均衡配置

在Nginx配置文件的HTTP层添加upstream模块

1. http {
2. upstream webserver {
3. server 192.168.1.209:80 weight=2 max_fails=3 fail_timeout=10s;
4. server 192.168.1.250:80 weight=1 max_fails=3 fail_timeout=10s;
5. }
6. server {
7. listen 80;
8. server_name www.xxx.org 192.168.1.21;
9. index index.html index.htm index.php index.jsp;
10. location / {
11. proxy_pass http://webserver;
12. proxy_set_header Host $host;
13. proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;
14. proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;
15. proxy_next_upstream http_500 http_502 http_503 error timeout invalid_header;
16. }
17. }
18. [root@scx ~]# curl www.xxx.org
19. web2
20. [root@scx ~]# curl www.xxx.org
21. web2
22. [root@scx ~]# curl www.xxx.org
23. web1
24. [root@scx ~]# curl www.xxx.org
25. web2
26. 上面的例子中的两台RealServer分别为：
27. 192.168.1.209
29. 192.168.1.250
30. 两台RealServer都安装Nginx作为后端web服务器

     Nignx负载均衡功能是通过upstream模块实现的，是基于内容和应用的7层交换负载均衡。Nginx负载均衡默认对后端服务器有健康检测能力，但是检测能力较弱，仅限于端口检测，在后端服务器比较少的情况下（10台及以下）负载均衡能力表现突出。与LVS负载均衡相比，LVS是基于四层的IP负载均衡技术，具有高性能、高可用、吞吐量大等优点，LVS在集群中表现更佳。