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【运维知识进阶篇】集群架构-Nginx七层负载均衡详解_nginx负载均衡配置详解

作者：小小林熬夜学编程 | 2024-04-19 22:36:20

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nginx负载均衡配置详解

为什么要使用负载均衡

当我们的Web服务器直接面向用户，往往要承载大量并发请求，单台服务器难以负荷，我使用多台Web服务器组成集群，前端使用Nginx负载均衡，将请求分散的打到我们的后端服务器集群中，实现负载的分发。那么会大大提升系统的吞吐率、请求性能。

负载均衡简单介绍

我们将负载均衡称为SLB（Server Load Balance），Nginx就是SLB的一种，负载均衡的叫法有很多，还可以叫负载、Load Balance、LB，公有云中叫SLB（阿里云负载均衡）、QLB（青云负载均衡）、CLB（腾讯云负载均衡）、ULB（ucloud负载均衡），常见的负载均衡软件有Nginx、Haproxy、LVS，Nginx是七层负载，可以造伪四层，Haproxy是七层负载、LVS是四层负载。

负载均衡分七层和四层，七层从下到上分别是1.物理层、2.数据链路层、3.网络层、4.传输层、5.会话层、6.表示层、7.应用层，而四层负载均衡仅到传输层，所以说四层负载均衡速度更快，但是七层负载均衡更贴近于服务，http协议就是七层协议，我们可以用Nginx做会话保持、URL路径规则匹配、Head头改写等等，这些四层无法实现。本篇文章我们介绍Nginx的七层负载均衡。

Nginx负载均衡配置语法

Nginx实现负载均衡都需要用proxy_pass代理模块配置

Nginx负载均衡与Nginx代理不同，Nginx的一个location仅能代理一台服务器，而Nginx负载均衡则是将客户端请求代理转发至一组upstream虚拟服务池。

一、准备主机

我们准备1台LB01作为负载均衡服务器（10.0.0.5；172.16.1.5）、2台Web服务器分别是Web01（10.0.0.7；172.16.1.7）、Web02（10.0.0.8；172.16.1.8）

二、配置Nginx

在Web01和Web02分别配置Nginx，并创建测试代码文件

  1. [root@Web01 ~]# cat /etc/nginx/conf.d/test.conf
  2. server {
  3. 	listen 80;
  4. 	server_name test.koten.com;
  5. 	location /{
  6. 		root /code/test;
  7. 		index index.html;
  8. 	}
  9. }
  10. [root@Web01 ~]# mkdir -p /code/test
  11. [root@Web01 ~]# echo 'Web01' > /code/test/index.html
  12. [root@Web01 ~]# nginx -t
  13. nginx: the configuration file /etc/nginx/nginx.conf syntax is ok
  14. nginx: configuration file /etc/nginx/nginx.conf test is successful
  15. [root@Web01 ~]# systemctl restart nginx
  16.  
  17. [root@Web02 ~]# cat /etc/nginx/conf.d/test.conf
  18. server {
  19. 	listen 80;
  20. 	server_name test.koten.com;
  21. 	location /{
  22. 		root /code/test;
  23. 		index index.html;
  24. 	}
  25. }
  26. [root@Web02 ~]# mkdir -p /code/test
  27. [root@Web02 ~]# echo 'Web02' > /code/test/index.html
  28. [root@Web02 ~]# nginx -t
  29. nginx: the configuration file /etc/nginx/nginx.conf syntax is ok
  30. nginx: configuration file /etc/nginx/nginx.conf test is successful
  31. [root@Web02 ~]# systemctl restart nginx

三、配置Nginx负载均衡

  1. [root@LB01 ~]# vim /etc/nginx/conf.d/test_proxy.conf  #负载均衡配置文件
  2. upstream node {
  3.     server 172.16.1.7;
  4.     server 172.16.1.8;
  5. }
  6. server {
  7.     listen 80;
  8.     server_name test.koten.com;
  9.  
  10.     location / {
  11.         proxy_pass http://node;
  12.         include proxy_params;
  13.         }
  14. }
  15. ~                                                                
  16. ~                                                                
  17. ~                                                                
  18. [root@LB01 ~]# vim /etc/nginx/proxy_params  #负载均衡调用的模块信息
  19. proxy_set_header Host $http_host;
  20. proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;
  21. proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;
  22.  
  23. proxy_connect_timeout 30;
  24. proxy_send_timeout 60;
  25. proxy_read_timeout 60;
  26.  
  27. proxy_buffering on;
  28. proxy_buffer_size 32k;
  29. proxy_buffers 4 128k;
  30. ~                                                                
  31. ~                                                                
  32. ~                                                                
  33. ~                                                                
  34. ~                                                                
  35. [root@LB01 ~]# nginx -t
  36. nginx: the configuration file /etc/nginx/nginx.conf syntax is ok
  37. nginx: configuration file /etc/nginx/nginx.conf test is successful
  38. [root@LB01 ~]# systemctl restart nginx

四、成果展示

修改本地HOST文件并打开浏览器访问test.koten.com

e083ff73e4e043249f94ccd9e28ef558.png

刷新一下页面，显示Web02，意味着我们已经通过负载均衡访问到了Web02服务器。

3cc2b4855e7a4775a592639c1b20b5ab.png

Nginx负载均衡常见故障

Nginx负载均衡比较智能，如果一个服务器宕了，会自动访问下一个服务器，但是如果后台服务器没有宕而是返回错误，就需要我们增加一个负载均衡设置了，以保证如果出错能直接访问下一台，而不是返回错误。

 proxy_next_upstream error timeout http_500 http_502 http_503 http_504;
  1. [root@LB01 ~]# vim /etc/nginx/conf.d/test_proxy.conf
  2. upstream node {
  3.     server 172.16.1.7;
  4.     server 172.16.1.8;
  5. }
  6. server {
  7.     listen 80;
  8.     server_name test.koten.com;
  9.  
  10.     location / {
  11.         proxy_pass http://node;
  12.         include proxy_params;
  13.         proxy_next_upstream error timeout http_500 http_502 http_
  14. 503 http_504; #这样如果报这些错误也会自动访问下一个服务器节点
  15.         }
  16. }
  17. ~                                                                
  18. <inx/conf.d/test_proxy.conf" 14L, 274C written

Nginx负载均衡调度算法

这样的负载均衡，每刷新一下就是一次请求，一次请求就变一次访问的服务器，我们把这种负载均衡算法，称为轮询。常见的负载均衡算法有以下几种：

调度算法概述
轮询按时间顺序逐一分配到不同的后端服务器（默认）
weight加权轮询，weight值越大，分配到的访问几率越高
ip_hash每个请求按照访问的IP的hash结果分配，这样来自同一IP的固定访问一个后端服务器
url_hash按照访问的URL的hash结果来分配请求，不同的URL定向到不同的后端服务器

least_conn

最少连接数，哪个机器连接数少就分发哪个

一、轮询配置

  1. upstream load_pass {
  2.     server 10.0.0.7:80;
  3.     server 10.0.0.8:80;
  4. }

二、权重轮询配置

  1. upstream load_pass {
  2.     server 10.0.0.7:80 weight=5;
  3.     server 10.0.0.8:80;
  4. }

三、ip_hash配置

  1. upstream load_pass {
  2.     ip_hash;
  3.     server 10.0.0.7:80 weight=5;
  4.     server 10.0.0.8:80;
  5. }
  6.  
  7. 注意：不能和weight一起使用，因为一个IP下不止一台客户端，如果客户端都走相同代理，会导致某一台服务器连接数过多。

Nginx负载均衡后端状态

一、后端Web服务器在前端Nginx负载均衡调度中的状态

状态概述
down当前的服务器不参与负载均衡，一般用于停机维护
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，服务器暂停时间
max_coms限制最大的接收连接数

二、down测试

  1. [root@LB01 ~]# vim /etc/nginx/conf.d/test_proxy.conf
  2. upstream webs {
  3.     server 172.16.1.7 down;
  4.     server 172.16.1.8;
  5. }
  6. server {
  7.     listen 80;
  8.     server_name test.koten.com;
  9.  
  10.     location / {
  11.         proxy_pass http://webs;
  12.         include proxy_params;
  13.         proxy_next_upstream error timeout http_500 http_502 http_
  14. 503 http_504;
  15.         }
  16. }
  17. ~                                                                
  18. <inx/conf.d/test_proxy.conf" 14L, 279C written 
  19. [root@LB01 ~]# systemctl restart nginx

浏览器访问test.koten.com刷新只显示Web02了 

9bf2fcabade744648d7748b2d958e1f6.png

三、backup测试

把Web01设为backup，刷新浏览器，发现只能访问到Web01，Web02作为预留。

  1. [root@LB01 ~]# vim /etc/nginx/conf.d/test_proxy.conf
  2. upstream webs {
  3.     server 172.16.1.7 backup;
  4.     server 172.16.1.8;
  5. }
  6. server {
  7.     listen 80;
  8.     server_name test.koten.com;
  9.  
  10.     location / {
  11.         proxy_pass http://webs;
  12.         include proxy_params;
  13.         proxy_next_upstream error timeout http_500 http_502 http_
  14. 503 http_504;
  15.         }
  16. }
  17. ~                                                                
  18. <inx/conf.d/test_proxy.conf" 14L, 281C written 
  19. [root@LB01 ~]# systemctl restart nginx

2cba94926e7c478bb6aae5920072b0b6.png

把Web02down掉，发现刷新会访问Web01，预留的服务器启用。

  1. [root@LB01 ~]# vim /etc/nginx/conf.d/test_proxy.conf
  2. upstream webs {
  3.     server 172.16.1.7 backup;
  4.     server 172.16.1.8 down;
  5. }
  6. server {
  7.     listen 80;
  8.     server_name test.koten.com;
  9.  
  10.     location / {
  11.         proxy_pass http://webs;
  12.         include proxy_params;
  13.         proxy_next_upstream error timeout http_500 http_502 http_
  14. 503 http_504;
  15.         }
  16. }
  17. ~                                                                
  18. <inx/conf.d/test_proxy.conf" 14L, 286C written 
  19. [root@LB01 ~]# systemctl restart nginx

四、max_fails失败次数和fail_timeout时间内失败多少次则标记down

  1. [root@LB01 ~]# vim /etc/nginx/conf.d/test_proxy.conf
  2. upstream webs {
  3.     server 172.16.1.7 max_fails=2 fail_timeout=10s;
  4.     server 172.16.1.8;
  5. }
  6. server {
  7.     listen 80;
  8.     server_name test.koten.com;
  9.  
  10.     location / {
  11.         proxy_pass http://webs;
  12.         include proxy_params;
  13.         proxy_next_upstream error timeout http_500 http_502 http_
  14. 503 http_504;
  15.         }
  16. }
  17. ~                                                                
  18. <inx/conf.d/test_proxy.conf" 14L, 303C written 
  19. [root@LB01 ~]# systemctl restart nginx

五、max_conns最大TCP连接数

  1. [root@LB01 ~]# vim /etc/nginx/conf.d/test_proxy.conf
  2. upstream webs {
  3.     server 172.16.1.7 max_conns=1;
  4.     server 172.16.1.8;
  5. }
  6. server {
  7.     listen 80;
  8.     server_name test.koten.com;
  9.  
  10.     location / {
  11.         proxy_pass http://webs;
  12.         include proxy_params;
  13.         proxy_next_upstream error timeout http_500 http_502 http_
  14. 503 http_504;
  15.         }
  16. }
  17. ~                                                                
  18. <inx/conf.d/test_proxy.conf" 14L, 286C written 
  19. [root@LB01 ~]# systemctl restart nginx

Nginx负载均衡健康检查

 我们采用第三方模块nginx_upstream_check_module来检测后端服务的健康状态，我们新克隆一个LB02用来测试，配置yum源，安装上Nginx。

一、安装依赖包

[root@LB02 ~]# yum install -y gcc glibc gcc-c++ pcre-devel openssl-devel patch

二、下载nginx源码包和nginx_upstream_check模块第三方模块

  1. [root@LB02 ~]# wget http://nginx.org/download/nginx-1.22.1.tar.gz
  2. [root@LB02 ~]# wget https://github.com/yaoweibin/nginx_upstream_check_module/archive/master.zip

三、解压nginx源码包以及第三方模块

  1. [root@LB02 ~]# tar xf nginx-1.22.1.tar.gz
  2. [root@LB02 ~]# unzip master.zip

四、进入nginx目录，打补丁(nginx的版本是1.22补丁就选择1.22的，或者是相近的版本号，p1代表在nginx目录，p0是不在nginx目录)，打好补丁后编译并安装

  1. [root@LB02 ~]# cd nginx-1.22.1/
  2. [root@LB02 nginx-1.22.1]# patch -p1 <../nginx_upstream_check_module-master/check_1.20.1+.patch
  3. [root@LB02 nginx-1.22.1]# ./configure --prefix=/etc/nginx --sbin-path=/usr/sbin/nginx --modules-path=/usr/lib64/nginx/modules --conf-path=/etc/nginx/nginx.conf --error-log-path=/var/log/nginx/error.log --http-log-path=/var/log/nginx/access.log --pid-path=/var/run/nginx.pid --lock-path=/var/run/nginx.lock --http-client-body-temp-path=/var/cache/nginx/client_temp --http-proxy-temp-path=/var/cache/nginx/proxy_temp --http-fastcgi-temp-path=/var/cache/nginx/fastcgi_temp --http-uwsgi-temp-path=/var/cache/nginx/uwsgi_temp --http-scgi-temp-path=/var/cache/nginx/scgi_temp --user=nginx --group=nginx --with-compat --with-file-aio --with-threads --with-http_addition_module --with-http_auth_request_module --with-http_dav_module --with-http_flv_module --with-http_gunzip_module --with-http_gzip_static_module --with-http_mp4_module --with-http_random_index_module --with-http_realip_module --with-http_secure_link_module --with-http_slice_module --with-http_ssl_module --with-http_stub_status_module --with-http_sub_module --with-http_v2_module --with-mail --with-mail_ssl_module --with-stream --with-stream_realip_module --with-stream_ssl_module --with-stream_ssl_preread_module --add-module=/root/nginx_upstream_check_module-master --with-cc-opt='-O2 -g -pipe -Wall -Wp,-D_FORTIFY_SOURCE=2 -fexceptions -fstack-protector-strong --param=ssp-buffer-size=4 -grecord-gcc-switches -m64 -mtune=generic -fPIC' --with-ld-opt='-Wl,-z,relro -Wl,-z,now -pie'
  4. [root@LB02 nginx-1.22.1]# make && make install

五、在配置文件上增加健康检查的功能

  1. [root@LB02 conf.d]# cat proxy_web.conf
  2. upstream web {
  3.     server 172.16.1.7:80 max_fails=2 fail_timeout=10s;
  4.     server 172.16.1.8:80 max_fails=2 fail_timeout=10s;
  5.     check interval=3000 rise=2 fall=3 timeout=1000 type=tcp;
  6.     #interval  检测间隔时间，单位为毫秒
  7.     #rise      表示请求2次正常，标记此后端的状态为up
  8.     #fall      表示请求3次失败，标记此后端的状态为down
  9.     #type      类型为tcp
  10.     #timeout   超时时间，单位为毫秒
  11. }
  12.  
  13. server {
  14.     listen 80;
  15.     server_name web.koten.com;
  16.     location / {
  17.         proxy_pass http://web;
  18.         include proxy_params;
  19.     }
  20.  
  21.     location /upstream_check {
  22.         check_status;
  23.     }
  24. }

六、本地hosts后浏览器访问可以查看健康状态 

54e39bceff7b4b93bbe87a41cc147ed9.png

Nginx负载均衡会话保持

一、两种处理会话保持问题的方法

1、使用nginx的ip_hash，根据客户端不同的IP，将请求分配到对应的IP

2、基于服务端的session会话共享（NFS、MySQL、memcache、redis、file）

二、session和cookie的区别

cookie是保存到客户端浏览器的信息，session是保存到服务端的信息，用户登录账号密码，会将cookie保存到浏览器，将session保存到请求的服务器，登录时候，将cookie与session进行匹配，匹配的上即为登录成功。如果采取负载均衡轮询等方式，一台服务器有了session，但是另一台服务器上没有session，这就导致登录不上，此时就需要我们采取redis，将session放到redis中，将redis单独放到一个服务器上，每次登录，我们都去这个服务器找session，这样就不会出现cookie与session不匹配而导致登录失败了。

三、会话登录故障场景

1、配置Nginx

  1. [root@Web01 conf.d]# vim php.conf
  2. server {
  3.     listen 80;
  4.     server_name php.koten.com;
  5.     root /code/phpMyAdmin-4.8.4-all-languages;
  6.  
  7.     location / {
  8.         index index.php index.html;
  9.     }
  10.  
  11.     location ~ \.php$ {
  12.         fastcgi_pass 127.0.0.1:9000;
  13.         fastcgi_param SCRIPT_FILENAME $document_root$fastcgi_script_name;
  14.         include fastcgi_params;
  15.     }
  16. }
  17. [root@Web01 conf.d]# systemctl restart nginx

2、在Web01和Web02分别安装phpmyadmin

  1. [root@Web01 conf.d]# cd /code
  2. [root@Web01 code]# wget https://files.phpmyadmin.net/phpMyAdmin/4.8.4/phpMyAdmin-4.8.4-all-languages.zip
  3. [root@Web01 code]# unzip phpMyAdmin-4.8.4-all-languages.zip

3、配置phpmyadmin连接远程的数据库

  1. [root@Web01 code]# cd phpMyAdmin-4.8.4-all-languages/
  2. [root@Web01 phpMyAdmin-4.8.4-all-languages]# cp config.sample.inc.php config.inc.php
  3. [root@Web01 phpMyAdmin-4.8.4-all-languages]# vim config.inc.php
  4. /* Server parameters */
  5. $cfg['Servers'][$i]['host'] = '172.16.1.51';

4、配置授权

[root@Web01 conf.d]# chown -R www.www /var/lib/php/

5、浏览器访问并登录，获取cookie信息

7389fff03de2499e8324104f75a35fa1.png

5fd4ac3bbccf467b82fd342b0e014805.png

  1. [root@Web01 php]# ll /var/lib/php/session/
  2. total 28
  3. -rw------- 1 www www   36 Apr  8 22:20 sess_24615fce63ea1785689dba62147bf683

6、将Web01上配置好的phpmyadmin和Nginx配置文件推送到Web02上

  1. [root@Web01 code]# scp -rp  phpMyAdmin-4.8.4-all-languages root@172.16.1.8:/code/
  2. [root@Web01 code]# scp /etc/nginx/conf.d/php.conf  root@172.16.1.8:/etc/nginx/conf.d/

7、在web02上重载Nginx服务、授权

  1. [root@Web02 code]# systemctl restart nginx
  2. [root@Web02 code]# chown -R www.www /var/lib/php/

8、接入负载均衡

  1. [root@LB01 conf.d]# vim proxy_php.conf 
  2. upstream php {
  3.         server 172.16.1.7:80;
  4.         server 172.16.1.8:80;
  5. }
  6. server {
  7.         listen 80;
  8.         server_name php.koten.com;
  9.         location / {
  10.                 proxy_pass http://php;
  11.                 include proxy_params;
  12.         }
  13. }
  14.  
  15. [root@lb01 conf.d]# nginx -t
  16. nginx: the configuration file /etc/nginx/nginx.conf syntax is ok
  17. nginx: configuration file /etc/nginx/nginx.conf test is successful
  18. [root@lb01 conf.d]# systemctl restart nginx

9、经过轮询后发现，如果session保存在本地文件，登录不上phpmyadmin

55a3fd1b5a8d4b6a8c7b8ac159c0d4ba.png

四、使用redis解决会话登录问题

1、安装redis内存数据库

[root@MySQL ~]# yum install redis -y

2、配置redis监听在172.16.1.0网段上

[root@MySQL ~]# sed  -i '/^bind/c bind 127.0.0.1 172.16.1.51' /etc/redis.conf

3、启动redis

  1. [root@MySQL ~]# systemctl start redis
  2. [root@MySQL ~]# systemctl enable redis

4、php配置session连接redis

  1. #1.修改/etc/php.ini文件
  2. [root@Web01 ~]# vim /etc/php.ini
  3. session.save_handler = redis
  4. session.save_path = "tcp://172.16.1.51:6379"
  5. ;session.save_path = "tcp://172.16.1.51:6379?auth=123" #如果redis存在密码，则使用该方式
  6. session.auto_start = 1
  7.  
  8. #2.注释php-fpm.d/www.conf里面的两条内容，否则session内容会一直写入/var/lib/php/session目录中
  9. ;php_value[session.save_handler] = files
  10. ;php_value[session.save_path]    = /var/lib/php/session

5、重启php-fpm

[root@Web01 code]# systemctl restart php-fpm

6、Web01配置推送给Web02

  1. [root@Web01 code]# scp /etc/php.ini root@172.16.1.8:/etc/php.ini  
  2. [root@Web01 code]# scp /etc/php-fpm.d/www.conf root@172.16.1.8:/etc/php-fpm.d/www.conf

7、Web02重启php-fpm

[root@Web02 code]# systemctl restart php-fpm

8、redis查看数据

  1. [root@MySQL ~]# redis-cli 
  2. 127.0.0.1:6379> keys *
  3. 1) "PHPREDIS_SESSION:f96f184460e8ca9dfdc65f3e70cca79c"

9、测试登录

登录成功！ 

56e5b4443b1d4a2da0fafa6e8b141e14.png

五、多级代理获取真实用户IP地址

 我们的web服务器的日志查看到的是负载均衡的服务器IP，所以我们需要加如下参数去获取真实的用户IP

  1. set_real_ip_from: 真实服务器上一级代理的IP地址或者IP地址段，可以写多行
  2. real_ip_header: 从那个heare头检索出需要的IP地址
  3. real_ip_recursive: 递归排除set_real_ip_from里出现的IP，没有出现的则为remote用户来源IP
  4. server {
  5.     listen 80;
  6.     server_name nginx.koten.com;
  7.     set_real_ip_from 172.16.1.7;
  8.     set_real_ip_from 172.16.1.8;
  9.     real_ip_header X-Forwarded-For;
  10.     real_ip_recursive on;
  11.     location / {
  12.         root /code;
  13.         index index.html index.php;
  14.     }
  15. }

我是koten，10年运维经验，持续分享运维干货，感谢大家的阅读和关注！

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