圖解Nginx，系統架構演變 + Nginx反向代理與負載均衡

哪吒程式設計發表於2023-02-22
圖解Nginx架構負載

大家好，我是哪吒。

本系列為SpringCloud微服務系列，先從微服務的入口Nginx開始學習，讀哪吒程式設計，品技術人生。

一、系統架構演變

最開始接觸Java語言的時候，我寫的第一個專案是圖書管理系統，當時是用JSP+servlet寫的，感覺很吊的樣子，全班領先水平。

慢慢的變成了JSP+SSM架構。

到現在單體架構最流行的SpringBoot+Vue。

但是，隨著業務量的不斷增大，你會發現，這些單體架構，已經無法滿足資料日益膨脹的今天，動不動就幾萬、幾十萬的QPS，我記得當初200QPS，我就覺得挺嚇人了。

為了解決效能問題，慢慢的微服務SpringCloud架構浮出水面，微服務的核心理念是將應用細粒化，將單一應用拆分成若干個小應用，每個小應用提供單一的業務功能，獨立部署，服務之間相互呼叫，降低程式耦合度，解決單臺伺服器當機的問題。

微服務提供了：

  1. 高可用：當某個節點伺服器當機後，可以迅速將流量轉移到其它節點；
  2. 高效能：多臺伺服器對外提供相同的服務，提升程式的吞吐量；
  3. 高擴充套件：當業務發生激增時，可以透過增加節點的方式，解決效能問題；

微服務

注：本章的重點是Nginx，微服務其它元件就不畫了。

二、什麼是Nginx？

Nginx是俄羅斯人Igor Sysoev編寫的一款高效能 HTTP 和反向代理伺服器。Nginx選擇了epoll和kqueue作為網路I/O 模型，在高連線併發的情況下，Nginx是Apache伺服器不錯的替代品，它能夠支援高達50000個併發連線數的響應，執行穩定，且記憶體、CPU等系統資源消耗非常低。

三、servername匹配規則

  1. 完整匹配
  2. 萬用字元匹配
  3. 正則匹配

正則匹配格式，必須以~開頭，比如server_name ~^www\d+\.nzbc\.com$;。如果沒有~開頭，則Nginx會判定為完整匹配，在邏輯上，需要新增^和$錨定符號。正則匹配格式中.為正則元字元，需要透過反斜線進行轉義，如果正在表示式中包含{}，需要用雙引號引用起來，避免報錯。

四、正向代理與反向代理

1、正向代理

正向代理伺服器一般位於使用者和伺服器之間，使用者透過正向代理伺服器訪問應用伺服器獲取資源。

最常見的例子就是，我們訪問一個外國網站，該網站無法在國內直接訪問，但是可以透過代理伺服器訪問，也就是說，使用者向正向代理伺服器傳送一個請求並指定目標，然後正向代理伺服器向目標伺服器（外國網站）轉交請求並將獲得的內容返回給使用者。

正向代理伺服器，代理的是客戶端，去和服務端互動。

2、反向代理

反向代理伺服器一般位於使用者和伺服器之間，使用者訪問反向代理伺服器獲取應用伺服器資源，使用者不知道應用伺服器的地址，是由代理伺服器轉發的，有降低網路和伺服器的負載，提高訪問效率的作用。

反向代理伺服器，代理的是服務端，去和客戶端互動。

Nginx就是一款高效能的反向代理伺服器。

3、LVS

先說結論，LVS解決了Nginx單機效能瓶頸的問題。

LVS主要用於多伺服器負載均衡，工作在網路的第四層，可以實現高效能、高可用的伺服器叢集技術，採用同步請求轉發的策略。

LVS支援的併發量要比Nginx高，可以配合keepalived使用，將Nginx作為LVS的節點機器，因為Nginx在網路的第七層，功能上肯定強於LVS。

使用者透過Nginx訪問應用伺服器，應用伺服器直接將資料返回給機房路由，返回時不走Nginx了，降低了Nginx的效能消耗。

Nginx+LVS

五、負載均衡策略

1、輪詢

預設使用輪詢方式，逐一轉發訪問，這種情況適合無狀態請求，會話無法保持，可以透過基於客戶端實現會話保持。

會話保持方式：

（1）基於session實現：

session用於儲存客戶端使用者資訊，一般不在伺服器儲存session，可以透過SpringSession將session儲存到一個Redis伺服器中，再次訪問時，可以到Redis伺服器中獲取session，實現session共享。

（2）基於cookie實現，無狀態的會話保持方式：

客戶端訪問時，先到許可權校驗伺服器校驗許可權，生成一個cookie，並進行加密，只有伺服器能解密，客戶端沒密碼無法解密，客戶端攜帶此cookie再次訪問應用伺服器，應用伺服器進行解密校驗，完成無狀態的會話保持。

2、權重

透過upstream進行權重的定義。

  1. weight：權重
  2. down：下線不用了
  3. backup：備用伺服器

修改配置檔案後，需要透過systemctl reload nginx命令重啟Nginx。

nginx.conf配置如下

http{
	upstream httpnz {
		server 192.168.66.1 weight=1 down;
		server 192.168.66.2 weight=5 backup;
		server 192.168.66.3 weight=10;
	}
	server{
		listen 80;
		server_name nzbc;
		
		location / {
			proxy_pass http://httpnz;
		}
	
		error_page 500.html;
		location = /500.html{
			root html;
		}
	}
}

3、ip_hash

每個請求按訪問ip的hash結果分配，對映到固定某一臺的伺服器，會導致負載均衡不平衡。

當此應用伺服器當機後，session會丟失，再次發起請求時，會重新固定訪問另一臺正常的應用伺服器，並實現會話保持。

4、least_conn

最少連線訪問。

5、url_hash

根據訪問的url轉發請求，定向流量轉發。

每個請求按訪問url的hash結果分配，對映到固定的某一臺伺服器，會話無法保持。

一般在獲取本地資源時使用（且本地資源不在同一臺伺服器上），比如透過地址1獲取圖片資源、透過地址2獲取pdf協議資源。

6、fair

根據伺服器響應時間轉發請求。

7、小結

最常用的負載均衡策略是配置權重，其它的形式，不是很常用。

ip_hash、least_conn、url_hash、fair，這幾種形式無法實現動態Nginx上下線（新增或減少Nginx伺服器），而且還會造成流量傾斜的問題，如果瞬時流量比較爆炸的時候，會將某個伺服器直接幹蹦。

六、動靜分離

動靜分離的最終目的是將獲取靜態資源和動態資源分離開，提升伺服器效能和高可用性。

配置靜態資源，nginx.conf配置如下

http{
	upstream httpnz {
		server 192.168.66.1 weight=1 down;
		server 192.168.66.2 weight=5 backup;
		server 192.168.66.3 weight=10;
	}
	server{
		listen 80;
		server_name nzbc;
		
		location / {
			proxy_pass http://httpnz;
		}
		
		location ~*/(js/img/css) {
			root html;
			index index.html index.htm;
		}
		
		error_page 500 502 503 504 /50x.html;
		location = /50x.html{
			root html;
		}
	}
}

七、URLRewrite

URLRewrite是實現URL重寫的關鍵指令，根據regex (正規表示式)部分內容，進行重定向。

flag標記說明：

  1. break，本條匹配完成後即終止；
  2. last，本條匹配完成後，繼續向下匹配；
  3. redirect，返回302臨時重定向；
  4. permanent，返回301永久重定向；

配置URLRewrite，nginx.conf配置如下

http{
	upstream httpnz {
		server 192.168.66.1 weight=1 down;
		server 192.168.66.2 weight=5 backup;
		server 192.168.66.3 weight=10;
	}
	server{
		listen 80;
		server_name nzbc;
		
		location / {
			rewrite ^/([0-9]+).html$ /index.jsp?pageNum=$1 break;
			proxy_pass http://httpnz;
		}
		
		location ~*/(js/img/css) {
			root html;
			index index.html index.htm;
		}
		
		error_page 500 502 503 504 /50x.html;
		location = /50x.html{
			root html;
		}
	}
}

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