Nginx 负载均衡笔记

1. 概述

1.1 Nginx 简介

Nginx 是一个高性能的 HTTP 和反向代理服务器，也是一个 IMAP/POP3/SMTP 代理服务器。Nginx 以其高性能、稳定性、丰富的功能集、简单的配置文件以及低系统资源消耗而闻名。

1.2 负载均衡概述

负载均衡是一种将工作负载分摊到多个服务器上的技术，以提高网站、应用或数据库的性能和可靠性。负载均衡器可以在不同的网络层级实现，最常见的是第 4 层（传输层）和第 7 层（应用层）负载均衡。

2. 四层负载均衡（传输层）

2.1 工作原理

第 4 层负载均衡基于传输层协议（如 TCP 和 UDP）进行负载均衡。Nginx 作为第 4 层负载均衡器时，会基于 IP 地址和端口将请求分发到后端服务器。

2.2 特点

• 透明性： 第 4 层负载均衡器只处理网络层和传输层的数据包，不关心应用层的数据内容。
• 高效性： 因为不需要解析应用层数据包，处理速度快，性能高。
• 简单性： 配置较为简单，适用于不需要复杂应用层处理的场景。

2.3 优缺点

优点

• 高性能： 因为只处理传输层的数据包，Nginx 可以高效地转发请求。
• 广泛适用： 可以处理任何基于 TCP 或 UDP 的应用。

缺点

• 功能有限： 无法基于应用层内容（如 URL、头信息）进行负载均衡。
• 调试复杂： 因为透明性，难以对应用层问题进行调试。

2.4 示例场景

• TCP 负载均衡： 适用于需要将 TCP 流量分发到多个后端服务器的场景，如数据库连接池。
• UDP 负载均衡： 适用于需要将 UDP 流量分发到多个后端服务器的场景，如 DNS 请求。

3. 七层负载均衡（应用层）

3.1 工作原理

第 7 层负载均衡基于应用层协议（如 HTTP 和 HTTPS）进行负载均衡。Nginx 作为第 7 层负载均衡器时，会解析 HTTP 请求，并基于请求的内容（如 URL、头信息、Cookies）将请求分发到后端服务器。

3.2 特点

• 灵活性： 第 7 层负载均衡器可以基于应用层的任何信息进行复杂的负载均衡决策。
• 可见性： 可以解析并记录详细的请求信息，便于监控和调试。
• 安全性： 可以基于请求内容进行安全过滤和权限控制。

3.3 优缺点

优点

• 灵活性高： 可以基于 URL、头信息、Cookies 等进行复杂的负载均衡。
• 强大的功能： 支持 SSL 终结、缓存、压缩、请求重写等高级功能。
• 可扩展性： 易于扩展和集成其他应用层服务，如 WAF、认证等。

缺点

• 性能开销： 因为需要解析和处理应用层数据包，性能开销较大。
• 配置复杂： 需要更多的配置和管理工作，特别是在复杂的应用场景中。

3.4 示例场景

• HTTP 负载均衡： 适用于需要将 HTTP 请求分发到多个后端 Web 服务器的场景。
• HTTPS 负载均衡： 适用于需要处理 HTTPS 请求，并将其分发到多个后端服务器的场景。
• 基于 URL 的负载均衡： 适用于需要将不同路径的请求分发到不同服务器的场景。
• 基于 Cookies 的会话保持： 适用于需要基于用户会话将请求分发到同一服务器的场景。

4. Nginx 调度算法

4.1 轮询（Round Robin）

• 简介： 将请求依次分发给每个后端服务器，循环进行。
• 特点： 简单易用，适用于负载均衡较为均匀的场景。

4.2 最小连接数（Least Connections）

• 简介： 将请求分发给当前活动连接数最少的后端服务器。
• 特点： 适用于请求处理时间差异较大的场景。

4.3 IP 哈希（IP Hash）

• 简介： 基于客户端 IP 地址计算哈希值，将请求分发给对应的后端服务器。
• 特点： 适用于需要会话保持的场景，确保同一客户端的请求始终分发到同一服务器。

4.4 加权轮询（Weighted Round Robin）

• 简介： 根据服务器的权重进行轮询，权重高的服务器分配更多的请求。
• 特点： 适用于后端服务器性能不一致的场景。

5. 四层负载配置示例

需求：使用nginx监听8888端口，后端服务器均为MySQL，并且MySQL为主从模式，客户端将访问nginx提供的8888端口来连接MySQL

我这里只是模拟，所以数据库里面是空的，没有任何库，表

5.1 安装并启动数据库

[root@oe02~]# yum install mariadb-server -y
[root@oe03 ~]# yum install mariadb-server -y
[root@oe02 ~]# systemctl enable --now mariadb
Created symlink /etc/systemd/system/mysql.service → /usr/lib/systemd/system/mariadb.service.
Created symlink /etc/systemd/system/mysqld.service → /usr/lib/systemd/system/mariadb.service.
Created symlink /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/mariadb.service → /usr/lib/systemd/system/mariadb.service.
[root@oe03 ~]# systemctl enable --now mariadb
Created symlink /etc/systemd/system/mysql.service → /usr/lib/systemd/system/mariadb.service.
Created symlink /etc/systemd/system/mysqld.service → /usr/lib/systemd/system/mariadb.service.
Created symlink /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/mariadb.service → /usr/lib/systemd/system/mariadb.service.

# 初始化数据库
[root@oe02 ~]# mysql_secure_installation
[root@oe03 ~]# mysql_secure_installation

5.2 开启root远程连接权限

如果不开启远程连接权限的话，是不能够连接上数据库的，此时的数据库只能够本地进行使用，所以我们需要开启远程权限

[root@oe02 ~]# mysql -uroot -p123
MariaDB [(none)]> grant all privileges on *.* to 'root'@'123' identified by '123';
Query OK, 0 rows affected (0.001 sec)
MariaDB [(none)]> flush privileges;
Query OK, 0 rows affected (0.001 sec)

[root@oe03 ~]# mysql -uroot -p123
MariaDB [(none)]> grant all privileges on *.* to 'root'@'123' identified by '123';
Query OK, 0 rows affected (0.001 sec)
MariaDB [(none)]> flush privileges;
Query OK, 0 rows affected (0.001 sec)

5.3 配置Nginx

[root@oe01 ~]# vim /etc/nginx/nginx.conf

# 在末尾加上这一段配置
stream {
        upstream db {
                server 192.168.200.171:3306;
                server 192.168.200.172:3306;
                }
        server {
                listen 8888;
                proxy_pass db;
        }
}

配置解释：

• 一定要在/etc/nginx/nginx.conf里面加入这一段配置，如果在conf.d目录下写的话会报错的，因为这个是四层负载，而你将配置写在conf.d下的话他是会被加载到http段落里面去的，http属于7层，所以他会报错
• upstream db ：表示定义一个后端服务器组，这个组的名字叫做db，在这个段落里面使用server来指定主机和端口
• server段落：这里就是配置虚拟主机，监听8888端口

5.4 重启nginx并测试

[root@oe01 ~]# systemctl restart nginx

现在我们使用客户端来连接mysql

[root@oe01 ~]# mysql -uroot -p123 -h 192.168.200.170 -P 8888
mysql: [Warning] Using a password on the command line interface can be insecure.
Welcome to the MySQL monitor.  Commands end with ; or \g.
Your MySQL connection id is 15
Server version: 5.5.5-10.5.25-MariaDB MariaDB Server

Copyright (c) 2000, 2024, Oracle and/or its affiliates.

Oracle is a registered trademark of Oracle Corporation and/or its
affiliates. Other names may be trademarks of their respective
owners.

Type 'help;' or '\h' for help. Type '\c' to clear the current input statement.

mysql>

客户端成功的连接上了数据库，并且使用的地址是Nginx的地址，端口也是Nginx监听的端口

6. 七层负载配置示例

四层的负载是需要定义在http段落以外的，而七层的负载就可以定义在http段落内了，也就是说我们可以将负载的配置文件单独写一个并放在/etc/nginx/conf.d/下

需求：使用nginx轮询的策略负载后端的web服务

从这个规划来，第一个nginx不提供web服务，只提供对后端的负载

6.1 配置web服务器

# 安装nginx
[root@oe02 ~]# yum install nginx -y
[root@oe03 ~]# yum install nginx -y

# 启动nginx
[root@oe02 ~]# systemctl start nginx
[root@oe03 ~]# systemctl start nginx

# 编写index.html
[root@oe02 ~]# echo "hello nginx01" >/usr/share/nginx/html/index.html 
[root@oe02 ~]# echo "hello nginx02" >/usr/share/nginx/html/index.html 

我们的web服务器就配置好了，接下来配置Nginx的负载均衡

6.2 配置负载均衡

[root@oe01 ~]# cd /etc/nginx/conf.d/
[root@oe01 conf.d]# vim load.conf

upstream webserver {
     server 192.168.200.171:80;
     server 192.168.200.172:80;
}
server {
    listen 80;
    location / {
        proxy_pass http://webserver;
    }
}

6.3 重启nginx并测试

[root@oe01 conf.d]# systemctl restart nginx

客户端测试

C:\Users\86156>curl 192.168.200.170
hello nginx01

C:\Users\86156>curl 192.168.200.170
hello nginx02

C:\Users\86156>curl 192.168.200.170
hello nginx01

C:\Users\86156>curl 192.168.200.170
hello nginx02