Nginx 负载均衡入门指南 – wiki基地

作者： /

Nginx 负载均衡入门指南：从概念到实践的详细教程

引言：为什么需要负载均衡？

在现代互联网应用中，服务的高可用性和高性能是至关重要的。随着用户量的增长和业务的扩展，单个服务器往往难以承受所有的请求压力。当流量洪峰到来时，单点故障或性能瓶颈可能导致服务变慢甚至崩溃，严重影响用户体验和业务连续性。

这时，负载均衡（Load Balancing）技术应运而生。它是一种将网络流量分散到多台服务器上的技术，就像一个智能的流量调度员。负载均衡器接收所有传入的请求，并根据预设的算法将它们转发到后端服务器集群中的某一台健康的服务器上。

负载均衡的核心优势包括：

  1. 提高性能： 将请求分散到多台服务器，每台服务器的处理压力减小，响应速度提升，整体吞吐量增加。
  2. 提高可用性： 当某台服务器发生故障时，负载均衡器能够自动检测到并停止将请求发送给它，将流量导向其他健康的服务器，从而避免单点故障，保证服务的持续可用。
  3. 提高可伸缩性： 当业务量增长时，可以轻松地向后端服务器集群中添加新的服务器，负载均衡器会自动将新服务器纳入调度范围，实现系统的弹性扩展。
  4. 降低成本： 可以使用多台配置相对较低的服务器组成集群，而不是购买一台昂贵的、高性能的服务器。

有许多工具可以实现负载均衡，其中 Nginx 是最流行、最强大、最灵活的选择之一。作为一款高性能的开源Web服务器和反向代理服务器，Nginx 在处理高并发请求方面表现出色，并且内置了功能丰富的负载均衡模块。本指南将带你深入了解如何使用 Nginx 配置和管理负载均衡。

Nginx 负载均衡的核心概念

在开始配置之前，我们先理解 Nginx 负载均衡涉及的几个核心概念：

  1. 反向代理（Reverse Proxy）： Nginx 作为负载均衡器时，通常工作在反向代理模式下。它接收客户端的请求，然后将请求转发给后端服务器。客户端只知道与 Nginx 通信，并不知道具体的后端服务器地址。这提供了安全性和抽象性。
  2. 上游服务器组（Upstream Server Group）： 这是负载均衡配置中最重要的部分。它定义了一组后端服务器，Nginx 将请求转发到这个组中的服务器。你可以为这个组起一个名字，然后在其他地方（如 server 块的 location 中）引用这个名字。
  3. 服务器（Server）： 在上游服务器组中，每个 server 指令定义了一个具体的后端服务器的地址和端口。
  4. 负载均衡方法（Load Balancing Method）： Nginx 支持多种算法来决定将请求发送到上游组中的哪台服务器。不同的方法适用于不同的场景。
  5. 健康检查（Health Check）： 负载均衡器需要知道后端服务器是否正常工作。Nginx 内置了被动健康检查功能，可以根据请求的成功或失败来判断服务器状态。Nginx Plus (商业版) 提供更高级的主动健康检查。

环境准备

在开始实践之前，请确保你已经具备以下条件：

  1. 安装 Nginx： 在你的操作系统上安装 Nginx。大多数 Linux 发行版都可以通过包管理器安装（如 sudo apt-get install nginx 或 sudo yum install nginx）。
  2. 多台后端服务器： 准备至少两台可以响应 HTTP 请求的后端服务器。它们可以是运行了 Web 服务器（如 Apache, Nginx 自身, Node.js 应用等）的虚拟机、物理机或容器。为了演示效果，你可以让它们在响应中包含自己的主机名或 IP 地址，这样客户端就知道是哪台服务器处理了请求。例如，你可以在每台后端服务器上创建一个简单的 index.html 文件，内容分别是 “Hello from Server 1” 和 “Hello from Server 2″。
  3. 网络连通性： 确保 Nginx 服务器可以访问所有后端服务器的指定端口。

Nginx 负载均衡的基本配置

Nginx 的主要配置文件通常位于 /etc/nginx/nginx.conf 或 /usr/local/nginx/conf/nginx.conf。负载均衡的配置通常放在 http 块内。

以下是一个最基本的负载均衡配置示例，使用的是默认的轮询（Round Robin）方法：

“`nginx

这是 Nginx 的主配置文件

你可以将 upstream 块放在 http 块内

http {
# … 其他 http 配置项 …

# 定义一个上游服务器组，命名为 backend_servers
# 这个名字可以是你喜欢的任何名称
upstream backend_servers {
    # 列出后端服务器的地址和端口
    # server 后面的地址可以是 IP:端口 或 域名:端口
    server 192.168.1.101:80;
    server 192.168.1.102:80;
    # 你可以添加更多服务器
    # server 192.168.1.103:80;
}

# 定义一个 Nginx server 块来监听客户端请求
server {
    listen 80; # 监听 80 端口

    server_name your_domain.com; # 你的域名或 IP

    # 定义一个 location 块，匹配所有根路径 / 的请求
    location / {
        # 将匹配到的请求代理转发到上面定义的 backend_servers 上游组
        proxy_pass http://backend_servers;

        # 以下是重要的 proxy_set_header 配置
        # 这些配置确保后端服务器能获取到客户端的真实 IP 等信息
        # 而不是负载均衡器的 IP
        proxy_set_header Host $host;
        proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;
        proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;
        proxy_set_header X-Forwarded-Proto $scheme;
    }

    # ... 其他 server 配置项 ...
}

# ... 其他 http 配置项 ...

}

… 其他 Nginx 块 (如 events, main 等) …

“`

配置解析：

  1. upstream backend_servers { ... }: 这定义了一个名为 backend_servers 的上游服务器组。
  2. server 192.168.1.101:80;: 在 upstream 块中，每个 server 指令指定了一个后端服务器的地址和端口。
  3. server { listen 80; ... }: 这是一个标准的 Nginx server 块，用于监听客户端的 HTTP 请求。
  4. location / { ... }: 这个 location 块匹配所有对根路径 (/) 的请求。
  5. proxy_pass http://backend_servers;: 这是关键指令。它告诉 Nginx 将所有匹配到此 location 的请求转发给名为 backend_servers 的上游服务器组。http:// 指定了协议。
  6. proxy_set_header ...: 这些指令用于修改发送给后端服务器的请求头。它们非常重要，因为默认情况下，后端服务器看到的请求来源是 Nginx 负载均衡器的 IP。通过设置这些头，可以将客户端的真实 IP (X-Real-IP, X-Forwarded-For)、原始请求的主机名 (Host) 和协议 (X-Forwarded-Proto) 传递给后端服务器。

配置生效：

保存配置文件后，需要检查配置语法是否正确，并重新加载或重启 Nginx 使配置生效。

“`bash
sudo nginx -t # 检查配置语法
sudo systemctl reload nginx # 或 sudo nginx -s reload

如果是第一次启动，可以使用：

sudo systemctl start nginx

“`

现在，当用户访问 your_domain.com (或者 Nginx 服务器的 IP) 时，Nginx 会将请求轮流发送到 192.168.1.101:80 和 192.168.1.102:80 这两台后端服务器上。

Nginx 支持的负载均衡方法详解

除了默认的轮询，Nginx 还支持其他几种负载均衡方法。选择合适的方法取决于你的应用需求和服务器特性。

1. 轮询 (Round Robin)

  • 特点： 这是默认的方法。请求按时间顺序依次分配到不同的后端服务器。当所有服务器处理完一轮请求后，会从头开始下一轮。
  • 优点： 配置简单，适用于后端服务器性能相近的场景。
  • 缺点： 不考虑服务器的实际负载（连接数、响应时间），可能导致某些服务器过载而其他服务器空闲。
  • 配置： 无需额外指令，只需列出 server 即可。

nginx
upstream backend_servers {
server 192.168.1.101:80;
server 192.168.1.102:80;
server 192.168.1.103:80;
}

2. 最少连接 (Least Connected)

  • 特点： 将请求发送到当前连接数最少的后端服务器。
  • 优点： 考虑了服务器的实时负载情况，适用于请求处理时间长短不一的场景，能更均匀地分配负载。
  • 缺点： 需要维护连接状态，比轮询稍微复杂。
  • 配置： 在 upstream 块中添加 least_conn; 指令。

nginx
upstream backend_servers {
least_conn; # 使用最少连接方法
server 192.168.1.101:80;
server 192.168.1.102:80;
}

3. IP Hash

  • 特点： 根据客户端的 IP 地址计算一个哈希值，并将请求发送到对应哈希值映射的后端服务器。来自同一个 IP 地址的请求将始终被发送到同一台服务器，除非该服务器不可用。
  • 优点： 实现了简单的会话持久性（Session Persistence）或称为粘滞会话（Sticky Sessions），确保同一用户的请求落在同一台服务器上，这对于需要保持用户会话状态的应用（如购物车、登录状态）非常有用。
  • 缺点： 如果客户端 IP 地址分布不均（例如，很多用户通过同一个代理服务器访问），可能导致负载分配不均。如果某台服务器宕机，所有来自该服务器负责的 IP 段的用户都会受到影响，直到该服务器恢复或被标记为不可用。
  • 配置： 在 upstream 块中添加 ip_hash; 指令。

nginx
upstream backend_servers {
ip_hash; # 使用 IP Hash 方法
server 192.168.1.101:80;
server 192.168.1.102:80;
}

注意： 当使用 ip_hash 时，上游服务器列表中不能包含 server down; (手动标记为下线) 指令。

4. 权重 (Weight)

  • 特点： 在轮询方法的基础上，可以为每台服务器指定一个权重。权重越高的服务器，被分配到请求的概率越大。
  • 优点： 适用于后端服务器硬件性能或处理能力不同的场景，可以根据服务器能力按比例分配流量。
  • 配置： 在 server 指令后面添加 weight=N 参数，其中 N 是权重值（默认为 1）。

nginx
upstream backend_servers {
server 192.168.1.101:80 weight=3; # 这台服务器将获得更多请求
server 192.168.1.102:80 weight=1; # 这台服务器获得的请求较少
}

在这个例子中，192.168.1.101:80 将获得大约 75% (3/(3+1)) 的请求，而 192.168.1.102:80 将获得大约 25% 的请求。权重可以与其他方法（如 least_conn）结合使用。

5. 其他方法 (商业版或第三方模块)

  • Least Time: (Nginx Plus) 将请求发送到平均响应时间最短且连接数最少的服务器。
  • Hash: (Nginx Plus) 基于任意请求键（如 URI、header、cookie 等）进行哈希。
  • Random: (Nginx Plus) 随机选择服务器，可选择基于权重或连接数进行偏好选择。
  • Cookie/Session Stickiness: (Nginx Plus 或第三方模块) 基于 Cookie 实现更灵活的会话持久性。

对于 Nginx 开源版用户，常用的就是 Round Robin, Least Connected, IP Hash，以及结合 Weight 使用。本指南主要聚焦于开源版的功能。

服务器状态和健康检查

负载均衡器需要了解后端服务器的健康状况，以便只将请求发送给能够正常响应的服务器。Nginx 开源版主要依赖于被动健康检查。

在 upstream 块中，可以通过为 server 指令添加参数来控制服务器的状态和被动健康检查的行为：

  1. down： 标记服务器为永久不可用。通常用于临时维护或从服务器组中移除服务器，而不删除配置行。

    nginx
    upstream backend_servers {
    server 192.168.1.101:80;
    server 192.168.1.102:80 down; # 这台服务器将被忽略
    }

  2. backup： 标记服务器为备用服务器。只有当所有主服务器都不可用时，请求才会被发送到备用服务器。

    nginx
    upstream backend_servers {
    server 192.168.1.101:80;
    server 192.168.1.102:80;
    server 192.168.1.103:80 backup; # 只有前两台都宕机时才使用
    }

  3. max_fails=N： 设置在 fail_timeout 时间段内，如果与服务器通信失败达到 N 次，则认为该服务器不可用。默认为 1 次。0 表示不进行失败检测。

  4. fail_timeout=时间： 设置服务器被标记为不可用后，经过多长时间会再次尝试向它发送请求。同时，这也是 max_fails 的统计周期。默认是 10 秒。

    nginx
    upstream backend_servers {
    server 192.168.1.101:80 weight=3 max_fails=2 fail_timeout=30s;
    server 192.168.1.102:80 max_fails=5 fail_timeout=60s;
    server 192.168.1.103:80 backup;
    }

被动健康检查工作原理：

当 Nginx 尝试向后端服务器转发请求，但遇到连接失败、读取超时、HTTP 5xx 错误（默认情况下，可以通过 proxy_next_upstream 控制）等情况时，会被记录为一次失败。如果在 fail_timeout 时间内失败次数达到 max_fails 设定的阈值，Nginx 就会暂时将该服务器标记为不可用，不再向它发送请求。

经过 fail_timeout 时间后，Nginx 会再次尝试向该服务器发送请求（通常是第一个到达的请求）。如果请求成功，服务器就被重新标记为可用；如果仍然失败，则继续保持不可用状态并重新计时 fail_timeout。

这种方式被称为被动健康检查，因为它是在处理用户请求的过程中进行的。与主动健康检查（定期向后端服务器发送专门的健康检查请求）相比，被动检查不会产生额外的内部流量，但缺点是只有在实际请求失败后才能发现服务器问题，且恢复检测也依赖于新的请求。

会话持久性（Sticky Sessions）

会话持久性确保来自同一用户的请求始终被发送到同一台后端服务器。这对于依赖服务器本地内存存储用户会话状态的应用至关重要。如前所述，ip_hash 是 Nginx 开源版提供的一种实现简单会话持久性的方法。

IP Hash 的局限性：

  • IP 变化： 用户IP可能改变（例如，使用手机网络时在 Wi-Fi 和蜂窝数据之间切换，或者通过不同出口代理），导致会话中断。
  • 负载不均： 如果大量用户共享同一个出口 IP (如在公司网络或移动运营商NAT后)，这些用户的请求会集中到同一台后端服务器，造成负载不均。
  • 代理服务器： 如果 Nginx 前面还有其他代理或CDN，Nginx 看到的客户端 IP 可能是这些代理的 IP，而不是最终用户的真实 IP。虽然可以通过 X-Forwarded-For 头传递真实 IP，但 ip_hash 是基于 Nginx 直接看到的 IP 计算的。

克服 IP Hash 局限性的方法（通常需要 Nginx Plus 或第三方模块）：

  • 基于 Cookie 的会话持久性： 在后端服务器第一次响应时设置一个特殊的 Cookie，其中包含标识该服务器的信息（如服务器ID或哈希值）。Nginx 负载均衡器在后续请求中检查此 Cookie，并根据 Cookie 中的信息将请求路由到相应的服务器。这是更常用和灵活的会话持久性方法。Nginx Plus 提供了 sticky 指令来实现这种功能。
  • 基于 URL 参数的会话持久性： 类似的原理，但信息编码在 URL 中。
  • 共享会话状态： 将会话状态存储在所有后端服务器都能访问的共享存储中（如 Redis, Memcached, 数据库），这样用户的任何请求发送到任何服务器都能找到其会话信息。这是更健壮但需要应用层面支持的解决方案。

对于大多数初学者和许多场景，如果你的应用强烈依赖会话状态且无法轻易修改为无状态设计，并且 ip_hash 的局限性不是主要问题，那么 ip_hash 是一个简单易行的选择。否则，考虑改造应用为无状态或评估 Nginx Plus 或其他负载均衡方案。

SSL/TLS 终止

在负载均衡架构中，通常推荐在负载均衡器（即 Nginx）上进行 SSL/TLS 终止。这意味着 Nginx 负责解密来自客户端的 HTTPS 请求，然后将解密后的 HTTP 请求转发给后端服务器。后端服务器之间以及与 Nginx 之间的通信可以是 HTTP (不加密) 或 HTTPS (加密)，这取决于你的安全需求和网络环境。

在 Nginx 上终止 SSL 的优势：

  • 简化后端配置： 后端服务器无需安装证书、配置 SSL，减轻了后端服务器的负担和管理复杂度。
  • 提高后端性能： SSL/TLS 加密和解密是计算密集型操作。将其集中在负载均衡器上，可以释放后端服务器的 CPU 资源，让它们专注于处理应用逻辑。
  • 集中管理证书： 所有的 SSL 证书都只需要安装和管理在 Nginx 负载均衡器上，简化了证书的更新和维护。

配置示例 (HTTPS 监听，HTTP 转发到后端)：

首先，确保你已经在 Nginx 服务器上安装了 SSL 证书和私钥。

“`nginx
http {
# … upstream 配置不变 …
upstream backend_servers {
server 192.168.1.101:80;
server 192.168.1.102:80;
}

server {
    listen 443 ssl; # 监听 443 端口，启用 SSL
    server_name your_domain.com;

    # 配置 SSL 证书和私钥路径
    ssl_certificate /etc/nginx/ssl/your_domain.crt;
    ssl_certificate_key /etc/nginx/ssl/your_domain.key;

    # 推荐的 SSL 设置 (安全性、性能)
    ssl_protocols TLSv1.2 TLSv1.3;
    ssl_ciphers 'TLS_AES_128_GCM_SHA256:TLS_AES_256_GCM_SHA384:TLS_CHACHA20_POLY1305_SHA256:ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256:ECDHE-RSA-AES256-GCM-SHA384:DHE-RSA-AES128-GCM-SHA256:DHE-RSA-AES256-GCM-SHA384';
    ssl_prefer_server_ciphers on;
    ssl_session_cache shared:SSL:10m;
    ssl_session_timeout 10m;

    location / {
        # 将请求转发到 HTTP 后端服务器组
        proxy_pass http://backend_servers;

        # 保持重要头部
        proxy_set_header Host $host;
        proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;
        proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;
        proxy_set_header X-Forwarded-Proto $scheme; # 将原始协议 (https) 传递给后端
    }
}

# (可选) 配置一个 server 块将 HTTP (80) 请求重定向到 HTTPS (443)
server {
    listen 80;
    server_name your_domain.com;
    return 301 https://$host$request_uri;
}

}
“`

在这个配置中，Nginx 监听 443 端口处理 HTTPS 请求，并在那里完成解密。然后通过 proxy_pass http://backend_servers; 将解密后的 HTTP 请求转发给后端服务器（监听 80 端口）。注意 proxy_set_header X-Forwarded-Proto $scheme; 这一行将原始协议（在这里是 https）传递给后端，后端应用可以根据这个头判断客户端是通过 HTTP 还是 HTTPS 访问的。

监控与日志

了解负载均衡器的运行状况以及请求如何被分配对于诊断问题和优化性能非常重要。

日志记录：

Nginx 的访问日志 (access.log) 和错误日志 (error.log) 是重要的信息来源。你可以修改访问日志的格式，以便记录更多关于负载均衡的信息，例如请求被转发到了哪台后端服务器。

修改 http 块中的 log_format 或在 server 块的 access_log 指令中使用自定义格式：

“`nginx
http {
# … upstream and server blocks …

# 定义一个自定义日志格式
log_format upstream_logs '$remote_addr - $remote_user [$time_local] "$request" '
                         '$status $body_bytes_sent "$http_referer" '
                         '"$http_user_agent" "$http_x_forwarded_for" '
                         'upstream_addr:$upstream_addr request_time:$request_time upstream_response_time:$upstream_response_time';

server {
    listen 80;
    server_name your_domain.com;

    access_log logs/access.log upstream_logs; # 使用自定义格式记录日志

    location / {
        proxy_pass http://backend_servers;
        # ... proxy_set_header ...
    }
}

}
“`

在上面的 upstream_logs 格式中：

  • $upstream_addr：记录处理请求的后端服务器的地址和端口。
  • $request_time：记录从接收客户端请求到发送响应给客户端的总时间。
  • $upstream_response_time：记录从Nginx发送请求到后端服务器到接收完后端服务器响应的总时间。

通过查看 access.log 文件，你可以看到每个请求被转发到了哪台后端服务器，以及请求的处理时间和后端响应时间，这对于排查性能问题非常有帮助。

状态监控 (Nginx Plus 或第三方模块)：

Nginx 开源版本身没有提供内置的、易于访问的状态监控页面来显示上游服务器的连接数、请求数、健康状态等详细信息。Nginx Plus 提供了强大的 Status Module，可以提供 JSON 或 HTML 格式的详细运行时状态信息，这对于自动化监控和可视化仪表盘非常有用。

对于开源版，你可能需要依赖：

  • 日志分析： 通过分析日志文件来获取服务器状态和请求分布信息。
  • 第三方模块： 有些第三方模块可以为 Nginx 添加状态监控功能。
  • 外部监控工具： 使用 Prometheus、Zabbix、Nagios 等监控系统结合脚本来检查后端服务器的健康状况（独立于 Nginx）。

故障排除技巧

当你配置负载均衡遇到问题时，可以按照以下步骤进行排查：

  1. 检查配置语法： 始终先运行 sudo nginx -t 检查配置文件是否有语法错误。
  2. 查看 Nginx 错误日志： sudo tail /var/log/nginx/error.log (或你的错误日志路径) 通常会记录 Nginx 启动、停止或处理请求时的错误信息，包括与后端服务器通信失败的详细信息。
  3. 查看 Nginx 访问日志： 检查访问日志，确认请求是否到达了 Nginx，以及如果使用了自定义日志格式，请求被转发到了哪台后端服务器。
  4. 检查后端服务器：
    • 直接通过 IP 和端口访问后端服务器，确认它们是否正常运行并监听了正确的端口。
    • 检查后端服务器的日志，看是否有错误或请求未到达的迹象。
    • 检查后端服务器的防火墙设置，确保 Nginx 服务器可以访问这些端口。
  5. 检查网络连通性： 在 Nginx 服务器上，使用 ping、telnet IP 端口 或 curl IP:端口 命令测试与后端服务器的网络连通性。
  6. 检查防火墙： 确保 Nginx 服务器和后端服务器上的防火墙允许必要的流量通过（Nginx 监听端口，以及 Nginx 到后端服务器的端口）。
  7. 逐步简化配置： 如果配置复杂，可以尝试暂时移除一些高级设置（如权重、健康检查参数）只保留最基本的轮询配置，确认基本功能是否正常，然后再逐步添加回去。

总结

Nginx 作为一款高性能的反向代理服务器，其内置的负载均衡功能强大且易于配置。通过理解 upstream 块、server 指令以及不同的负载均衡方法（Round Robin, Least Connected, IP Hash）和服务器状态参数（weight, max_fails, fail_timeout），你可以有效地将流量分散到多台后端服务器上，从而提升应用的性能、可用性和可伸缩性。

本指南涵盖了 Nginx 开源版负载均衡的基础到进阶配置，包括基本设置、常用方法、服务器状态管理、简单的健康检查以及 SSL 终止等重要方面。尽管 Nginx Plus 提供了更多高级功能，但开源版的功能已经足以满足许多常见的负载均衡需求。

记住，负载均衡只是构建高可用和高性能系统的一部分。你还需要关注后端服务器本身的稳定性、数据库的高可用、应用层面的优化以及全面的监控体系。

希望这篇详细的入门指南能帮助你成功地在 Nginx 中配置和使用负载均衡，迈出构建弹性应用的第一步！不断实践和探索，你将能更好地掌握 Nginx 的强大功能。

发表评论

您的邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注

滚动至顶部