【大型網站技術實踐】初級篇：藉助Nginx搭建反向代理伺服器

發表於2014-12-04
網站Nginx伺服器

一、反向代理：Web伺服器的“經紀人”

1.1 反向代理初印象

反向代理（Reverse Proxy）方式是指以代理伺服器來接受internet上的連線請求，然後將請求轉發給內部網路上的伺服器，並將從伺服器上得到的結果返回給internet上請求連線的客戶端，此時代理伺服器對外就表現為一個伺服器。

從上圖可以看出：反向代理伺服器位於網站機房，代理網站Web伺服器接收Http請求，對請求進行轉發。

1.2 反向代理的作用

①保護網站安全：任何來自Internet的請求都必須先經過代理伺服器；

②通過配置快取功能加速Web請求：可以快取真實Web伺服器上的某些靜態資源，減輕真實Web伺服器的負載壓力；

③實現負載均衡：充當負載均衡伺服器均衡地分發請求，平衡叢集中各個伺服器的負載壓力；

二、初識Nginx：簡單卻不平凡

2.1 Nginx是神馬？

Nginx是一款輕量級的網頁伺服器、反向代理器以及電子郵件代理伺服器。其將原始碼以類BSD許可證的形式釋出，因它的穩定性、豐富的功能集、示例配置檔案和低系統資源的消耗而聞名。

Source：Nginx（發音同engine x），它是由俄羅斯程式設計師Igor Sysoev所開發的。起初是供俄國大型的入口網站及搜尋引擎Rambler（俄語：Рамблер）使用。此軟體BSD-like協議下發行，可以在UNIX、GNU/Linux、BSD、Mac OS X、Solaris，以及Microsoft Windows等作業系統中執行。

說到Web伺服器，Apache伺服器和IIS伺服器是兩大巨頭；但是執行速度更快、更靈活的對手：Nginx 正在迎頭趕上。

2.2 Nginx的應用現狀

Nginx 已經在俄羅斯最大的入口網站── Rambler Media（www.rambler.ru）上執行了3年時間，同時俄羅斯超過20%的虛擬主機平臺採用Nginx作為反向代理伺服器。

在國內，已經有 淘寶、新浪部落格、新浪播客、網易新聞、六間房、56.com、Discuz!、水木社群、豆瓣、YUPOO、海內、迅雷線上 等多家網站使用 Nginx 作為Web伺服器或反向代理伺服器。

2.3 Nginx的核心特點

（1）跨平臺：Nginx 可以在大多數 Unix like OS編譯執行，而且也有Windows的移植版本；

（2）配置異常簡單：非常容易上手。配置風格跟程式開發一樣，神一般的配置；

（3）非阻塞、高併發連線：資料複製時，磁碟I/O的第一階段是非阻塞的。官方測試能夠支撐5萬併發連線，在實際生產環境中跑到2～3萬併發連線數。（這得益於Nginx使用了最新的epoll模型）；

PS：對於一個Web伺服器來說，首先看一個請求的基本過程：建立連線—接收資料—傳送資料，在系統底層看來 ：上述過程（建立連線—接收資料—傳送資料）在系統底層就是讀寫事件。

①如果採用阻塞呼叫的方式，當讀寫事件沒有準備好時，必然不能夠進行讀寫事件，那麼久只好等待，等事件準備好了，才能進行讀寫事件，那麼請求就會被耽擱 。

②既然沒有準備好阻塞呼叫不行，那麼採用非阻塞呼叫方式。非阻塞就是：事件馬上返回，告訴你事件還沒準備好呢，你慌什麼，過會再來吧。好吧，你過一會，再來檢查一下事件，直到事件準備好了為止，在這期間，你就可以先去做其它事情，然後再來看看事件好了沒。雖然不阻塞了，但你得不時地過來檢查一下事件的狀態，你可以做更多的事情了，但帶來的開銷也是不小的。

（4）事件驅動：通訊機制採用epoll模型，支援更大的併發連線。

①非阻塞通過不斷檢查事件的狀態來判斷是否進行讀寫操作，這樣帶來的開銷很大，因此就有了非同步非阻塞的事件處理機制。這種機制讓你可以同時監控多個事件，呼叫他們是阻塞的，但可以設定超時時間，在超時時間之內，如果有事件準備好了，就返回。這種機制解決了上面阻塞呼叫與非阻塞呼叫的兩個問題。

②以epoll模型為例：當事件沒有準備好時，就放入epoll(佇列)裡面。如果有事件準備好了，那麼就去處理；如果事件返回的是EAGAIN，那麼繼續將其放入epoll裡面。從而，只要有事件準備好了，我們就去處理它，只有當所有事件都沒有準備好時，才在epoll裡面等著。這樣，我們就可以併發處理大量的併發了，當然，這裡的併發請求，是指未處理完的請求，執行緒只有一個，所以同時能處理的請求當然只有一個了，只是在請求間進行不斷地切換而已，切換也是因為非同步事件未準備好，而主動讓出的。這裡的切換是沒有任何代價，你可以理解為迴圈處理多個準備好的事件，事實上就是這樣的。

③與多執行緒方式相比，這種事件處理方式是有很大的優勢的，不需要建立執行緒，每個請求佔用的記憶體也很少，沒有上下文切換，事件處理非常的輕量級，併發數再多也不會導致無謂的資源浪費（上下文切換）。對於IIS伺服器，每個請求會獨佔一個工作執行緒，當併發數上到幾千時，就同時有幾千的執行緒在處理請求了。這對作業系統來說，是個不小的挑戰：因為執行緒帶來的記憶體佔用非常大，執行緒的上下文切換帶來的cpu開銷很大，自然效能就上不去，從而導致在高併發場景下效能下降嚴重。

總結：通過非同步非阻塞的事件處理機制，Nginx實現由程式迴圈處理多個準備好的事件，從而實現高併發和輕量級。 

（5）Master/Worker結構：一個master程式，生成一個或多個worker程式。

PS：Master-Worker設計模式核心思想是將原來序列的邏輯並行化，並將邏輯拆分成很多獨立模組並行執行。其中主要包含兩個主要元件Master和Worker，Master主要將邏輯進行拆分，拆分為互相獨立的部分，同時維護了Worker佇列，將每個獨立部分下發到多個Worker並行執行，Worker主要進行實際邏輯計算，並將結果返回給Master。

問：nginx採用這種程式模型有什麼好處？

答：採用獨立的程式，可以讓互相之間不會影響，一個程式退出後，其它程式還在工作，服務不會中斷，Master程式則很快重新啟動新的Worker程式。當然，Worker程式的異常退出，肯定是程式有bug了，異常退出，會導致當前Worker上的所有請求失敗，不過不會影響到所有請求，所以降低了風險。

（6）記憶體消耗小：處理大併發的請求記憶體消耗非常小。在3萬併發連線下，開啟的10個Nginx 程式才消耗150M記憶體（15M*10=150M）。

（7）內建的健康檢查功能：如果 Nginx 代理的後端的某臺 Web 伺服器當機了，不會影響前端訪問。

（8）節省頻寬：支援 GZIP 壓縮，可以新增瀏覽器本地快取的 Header 頭。

（9）穩定性高：用於反向代理，當機的概率微乎其微。

三、構建實戰：Nginx+IIS構築Web伺服器叢集的負載均衡

這裡我們主要在Windows環境下，通過將同一個Web網站部署到不同伺服器的IIS上，再通過一個統一的Nginx反響代理伺服器對外提供統一訪問接入，實現一個最簡化的反向代理和負載均衡服務。但是，受限於實驗條件，我們這裡主要在一臺計算機上進行反向代理、IIS叢集的模擬，具體的實驗環境如下圖所示：我們將nginx服務和web網站都部署在一臺計算機上，nginx監聽http80埠，而web網站分別以不同的埠號（這裡是8050及8060）部署在同一個IIS伺服器上，使用者訪問localhost時，nginx作為反向代理將請求均衡地轉發給兩個IIS中不同埠的Web應用程式進行處理。雖然實驗環境很簡單而且有限，但是對於一個簡單的負載均衡效果而言，本文是可以達到並且展示的。

3.1 準備一個ASP.NET網站部署到IIS伺服器叢集中

（1）在VS中新建一個ASP.NET Web應用程式，但是為了在一臺計算機上展示效果，我們將這個Web程式複製一份，並修改兩個Web程式的Default.aspx，讓其的首頁顯示不同的一點資訊。這裡Web1展示的是“The First Web：”，而Web2展示的則是“The Second Web”。

（2）除錯執行，看看兩個網站的效果如何？

①Web1的展示效果：

②Web2的展示效果：

③部署到IIS中，分配不同的埠號：這裡我選擇了Web1:8050，Web2:8060

（3）總結：在真實環境中，構建Web應用伺服器叢集的實現是將同一個Web應用程式部署到Web伺服器叢集中的多個Web伺服器上。

3.2 下載Nginx並部署到伺服器中作為自啟動的Windows服務

（1）到Nginx官網下載Nginx的Windows版本：http://nginx.org/en/download.html（這裡我們使用nginx/Windows-1.4.7版本進行實驗，本文底部有下載地址）

（2）解壓到磁碟任意目錄，例如這裡我解壓到了：D:\Servers\nginx-1.4.7

（3）啟動、停止和重新載入服務：通過cmd以守護程式方式啟動nginx.exe：start nginx.exe，停止服務：nginx -s stop，重新載入配置：nginx -s  reload；

（4）每次以cmd方式啟動Nginx服務不符合實際要求，於是我們想到將其註冊為Windows服務，並設定為自動啟動模式。這裡，我們使用一個不錯的小程式：“Windows Service Wrapper”，將nginx.exe註冊為Windows服務，具體的步湊如下：

①下載最新版的 Windows Service Wrapper 程式，比如我下載的名稱是 “winsw-1.8-bin.exe”（本文底部有下載地址），然後把它命名成你想要的名字（比如: “nginx-service.exe”，當然，你也可以不改名）

②將重新命名後的 nginx-service.exe 複製到 nginx 的安裝目錄（比如，我這裡是 “D:\Servers\nginx-1.4.7″）

③在同一個目錄下建立一個Windows Service Wrapper 的XML配置檔案，名稱必須與第一步重新命名時使用的名稱一致（比如我這裡是 “nginx-service.xml”,  如果，你沒有重新命名，則應該是 “winsw-1.8-bin.xml”），這個XML的內容如下：

④在命令列下執行以下命令，以便將其註冊成Windows服務：nginx-service.exe install

⑤接下來就可以在Windows服務列表看到Nginx服務了，這裡我們可以將其設定為自動啟動了：

（5）總結：在Windows環境中，要對外提供的Windows服務一般都要將其啟動型別設定為自動。

3.3 修改Nginx核心配置檔案nginx.conf

（1）程式數與每個程式的最大連線數：

  • nginx程式數，建議設定為等於CPU總核心數
  • 單個程式最大連線數，那麼該伺服器的最大連線數=連線數*程式數

（2）Nginx的基本配置：

  • 監聽埠一般都為http埠：80;
  • 域名可以有多個，用空格隔開：例如 server_name www.ha97.com ha97.com;

（3）負載均衡列表基本配置：

  • location / {}：對aspx字尾的進行負載均衡請求，假如我們要對所有的aspx字尾的檔案進行負載均衡時，可以這樣寫：location ~ .*\.aspx$ {}
  • proxy_pass：請求轉向自定義的伺服器列表，這裡我們將請求都轉向標識為http://cuitccol.com的負載均衡伺服器列表；

  • 在負載均衡伺服器列表的配置中，weight是權重，可以根據機器配置定義權重（如果某臺伺服器的硬體配置十分好，可以處理更多的請求，那麼可以為其設定一個比較高的weight；而有一臺的伺服器的硬體配置比較差，那麼可以將前一臺的weight配置為weight=2，後一臺差的配置為weight=1）。weigth參數列示權值，權值越高被分配到的機率越大；

（4）總結：最基本的Nginx配置差不多就是上面這些內容，當然僅僅是最基礎的配置。（詳細的配置內容請下載底部的nginx-1.4.7詳細檢視）

3.4 新增Nginx對於靜態檔案的快取配置

為了提高響應速度，減輕真實伺服器的負載，對於靜態資源我們可以在反向代理伺服器中進行快取，這也是反向代理伺服器的一個重要的作用。

（1）快取靜態資源之圖片檔案

root /nginx-1.4.7/staticresources/image：對於配置中提到的jpg/png等檔案均定為到/nginx-1.4.7/staticresources/image資料夾中進行尋找匹配並將檔案返回；

expires 7d：過期時效為7天，靜態檔案不怎麼更新，過期時效可以設大一點，如果頻繁更新，則可以設定得小一點；

TIPS：下面的樣式、指令碼快取配置同這裡一樣，只是定位的資料夾不一樣而已，不再贅述。

（2）快取靜態資源之樣式檔案

（3）快取靜態資源之指令碼檔案

（4）在nginx服務資料夾中建立靜態資原始檔夾，並要快取的靜態檔案拷貝進去：這裡我主要將Web程式中用到的image、css以及js檔案拷貝了進去；

（5）總結：通過配置靜態檔案的快取設定，對於這些靜態檔案的請求可以直接從反向代理伺服器中直接返回，而無需再將這些靜態資源請求轉發到具體的Web伺服器進行處理了，可以提高響應速度，減輕真實Web伺服器的負載壓力。

3.5 簡單測試Nginx反向代理實現負載均衡效果

（1）第一次訪問http://localhost/Default.aspx時從127.0.0.1:8050處理響應返回結果

（2）第二次訪問http://localhost/Default.aspx時從127.0.0.1:8060處理響應返回結果

（3）多次訪問http://localhost/Default.aspx時的截圖：

學習小結

在本文中，藉助了Nginx這個神器簡單地在Windows環境下搭建了一個反向代理服務，並模擬了一個IIS伺服器叢集的負載均衡效果。從這個DEMO中，我們可以簡單地感受到反向代理為我們所做的事情，並體會負載均衡是怎麼一回事。但是，在目前大多數的應用中，都會將Nginx部署在Linux伺服器中，並且會做一些針對負載均衡的優化配置，這裡我們所做的僅僅就是一個小小的使用而已（just修改一下配置檔案）。不過，萬丈高樓平地起，前期的小小體會，也會幫助我們向後期的深入學習奠定一點點的基礎。

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參考資料

（1）丁胖胖，《圖解正向代理、反向代理與透明代理》：http://z00w00.blog.51cto.com/515114/1031287

（2）特種兵-AK47，《正向代理與反向代理的區別》：http://blog.csdn.net/m13666368773/article/details/8060481

（3）百度百科，Nginx：http://baike.baidu.com/view/926025.htm?fr=aladdin

（4）51CTO，《Nginx安裝配置與服務搭建專題》：http://os.51cto.com/art/201111/304611.htm

（5）紅黑聯盟，《Nginx配置檔案nginx.conf中文詳解總結》：http://www.2cto.com/os/201212/176520.html

（6）360doc，《Linux下同步模式、非同步模式、阻塞呼叫與非阻塞呼叫總結》：http://www.360doc.com/content/13/0117/12/5073814_260691714.shtml （好文一篇，值得閱讀）

（7）e路相扶，《同步、非同步、阻塞與非阻塞》：http://www.cnblogs.com/zhangjun516/archive/2013/04/17/3025902.html

（8）feitianxuxue，《處理大併發之對非同步非阻塞的理解》：http://blog.csdn.net/feitianxuxue/article/details/8936802

附件下載

（1）nginx-1.4.7：http://pan.baidu.com/s/1dD2C2zB

（2）winsw-1.8-bin.exe：http://pan.baidu.com/s/1kTihzk7

（3）SimpleNginxDemo：http://pan.baidu.com/s/1bnq5oYz

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