大型网站架构系列：负载均衡详解（下）

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一、软件负载均衡概述

硬件负载均衡性能优越，功能全面，但是价格昂贵，一般适合初期或者土豪级公司长期使用。因此软件负载均衡在互联网领域大量使用。常用的软件负载均衡软件有Nginx，Lvs，HaProxy等。

二、Ngnix负载均衡

Ngnix是一款轻量级的Web服务器/反向代理服务器，工作在七层Http协议的负载均衡系统。具有高性能、高并发、低内存使用等特点。是一个轻量级的Http和反向代理服务器。Nginx使用epoll and kqueue作为开发模型。能够支持高达 50,000 个并发连接数的响应。

操作系统：Liunx，Windows（Linux、FreeBSD、Solaris、Mac OS X、AIX以及Microsoft Windows）

开发语言：C

并发性能：官方支持每秒5万并发，实际国内一般到每秒2万并发，有优化到每秒10万并发的。具体性能看应用场景。

2.1.特点

1.模块化设计：良好的扩展性，可以通过模块方式进行功能扩展。

2.高可靠性：主控进程和worker是同步实现的，一个worker出现问题，会立刻启动另一个worker。

3.内存消耗低：一万个长连接（keep-alive）,仅消耗2.5MB内存。

4.支持热部署：不用停止服务器，实现更新配置文件，更换日志文件、更新服务器程序版本。

5.并发能力强：官方数据每秒支持5万并发；

6.功能丰富：优秀的反向代理功能和灵活的负载均衡策略

2.2.功能

2.2.1基本功能

支持静态资源的web服务器。

http,smtp,pop3协议的反向代理服务器、缓存、负载均衡；

支持FASTCGI（fpm）

支持模块化，过滤器（让文本可以实现压缩，节约带宽）,ssl及图像大小调整。

内置的健康检查功能

基于名称和ip的虚拟主机

定制访问日志

支持平滑升级

支持KEEPALIVE

支持url rewrite

支持路径别名

支持基于IP和用户名的访问控制。

支持传输速率限制，支持并发数限制。

2.2.2扩展功能

2.2.3性能

Nginx的高并发，官方测试支持5万并发连接。实际生产环境能到2-3万并发连接数。10000个非活跃的HTTP keep-alive 连接仅占用约2.5MB内存。三万并发连接下，10个Nginx进程，消耗内存150M。淘宝tengine团队测试结果是“24G内存机器上，处理并发请求可达200万”。

2.3架构

2.3.1Nginx的基本工作模式

一个master进程，生成一个或者多个worker进程。但是这里master是使用root身份启动的，因为nginx要工作在80端口。而只有管理员才有权限启动小于低于1023的端口。master主要是负责的作用只是启动worker，加载配置文件，负责系统的平滑升级。其它的工作是交给worker。那么当worker被启动之后，也只是负责一些web最简单的工作，而其他的工作都是有worker中调用的模块来实现的。

模块之间是以流水线的方式实现功能的。流水线，指的是一个用户请求，由多个模块组合各自的功能依次实现完成的。比如：第一个模块只负责分析请求首部，第二个模块只负责查找数据，第三个模块只负责压缩数据，依次完成各自工作。来实现整个工作的完成。

他们是如何实现热部署的呢？其实是这样的，我们前面说master不负责具体的工作，而是调用worker工作，他只是负责读取配置文件，因此当一个模块修改或者配置文件发生变化，是由master进行读取，因此此时不会影响到worker工作。在master进行读取配置文件之后，不会立即的把修改的配置文件告知worker。而是让被修改的worker继续使用老的配置文件工作，当worker工作完毕之后，直接当掉这个子进程，更换新的子进程，使用新的规则。

2.3.2Nginx支持的sendfile机制

Sendfile机制，用户将请求发给内核，内核根据用户的请求调用相应用户进程，进程在处理时需要资源。此时再把请求发给内核（进程没有直接IO的能力），由内核加载数据。内核查找到数据之后，会把数据复制给用户进程，由用户进程对数据进行封装，之后交给内核，内核在进行tcp/ip首部的封装，最后再发给客户端。这个功能用户进程只是发生了一个封装报文的过程，却要绕一大圈。因此nginx引入了sendfile机制，使得内核在接受到数据之后，不再依靠用户进程给予封装，而是自己查找自己封装，减少了一个很长一段时间的浪费，这是一个提升性能的核心点。

以上内容摘自网友发布的文章，简单一句话是资源的处理，直接通过内核层进行数据传递，避免了数据传递到应用层，应用层再传递到内核层的开销。

目前高并发的处理，一般都采用sendfile模式。通过直接操作内核层数据，减少应用与内核层数据传递。

2.3.3Nginx通信模型（I/O复用机制）

开发模型：epoll和kqueue。

支持的事件机制：kqueue、epoll、rt signals、/dev/poll 、event ports、select以及poll。

支持的kqueue特性包括EV_CLEAR、EV_DISABLE、NOTE_LOWAT、EV_EOF，可用数据的数量，错误代码.

支持sendfile、sendfile64和sendfilev;文件AIO；DIRECTIO;支持Accept-filters和TCP_DEFER_ACCEP.

以上概念较多，大家自行百度或谷歌，知识领域是网络通信（BIO,NIO,AIO）和多线程方面的知识。

2.4均衡策略

nginx的负载均衡策略可以划分为两大类：内置策略和扩展策略。内置策略包含加权轮询和ip hash，在默认情况下这两种策略会编译进nginx内核，只需在nginx配置中指明参数即可。扩展策略有很多，如fair、通用hash、consistent hash等，默认不编译进nginx内核。由于在nginx版本升级中负载均衡的代码没有本质性的变化，因此下面将以nginx1.0.15稳定版为例，从源码角度分析各个策略。

2.4.1. 加权轮询（weighted round robin）

轮询的原理很简单，首先我们介绍一下轮询的基本流程。如下是处理一次请求的流程图：

图中有两点需要注意：

第一，如果可以把加权轮询算法分为先深搜索和先广搜索，那么nginx采用的是先深搜索算法，即将首先将请求都分给高权重的机器，直到该机器的权值降到了比其他机器低，才开始将请求分给下一个高权重的机器；

第二，当所有后端机器都down掉时，nginx会立即将所有机器的标志位清成初始状态，以避免造成所有的机器都处在timeout的状态，从而导致整个前端被夯住。

2.4.2. ip hash

ip hash是nginx内置的另一个负载均衡的策略，流程和轮询很类似，只是其中的算法和具体的策略有些变化，如下图所示：

2.4.3. fair

fair策略是扩展策略，默认不被编译进nginx内核。其原理是根据后端服务器的响应时间判断负载情况，从中选出负载最轻的机器进行分流。这种策略具有很强的自适应性，但是实际的网络环境往往不是那么简单，因此要慎用。

2.4.4 通用hash、一致性hash

这两种也是扩展策略，在具体的实现上有些差别，通用hash比较简单，可以以nginx内置的变量为key进行hash，一致性hash采用了nginx内置的一致性hash环，可以支持memcache。

2.5场景

Ngnix一般作为入口负载均衡或内部负载均衡，结合反向代理服务器使用。以下架构示例，仅供参考，具体使用根据场景而定。

2.5.1入口负载均衡架构

Ngnix服务器在用户访问的最前端。根据用户请求再转发到具体的应用服务器或二级负载均衡服务器（LVS）

2.5.2内部负载均衡架构

LVS作为入口负载均衡，将请求转发到二级Ngnix服务器，Ngnix再根据请求转发到具体的应用服务器。

本文名称：大型网站架构系列：负载均衡详解（下）
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