nginx实现负载均衡的原理及策略

负载均衡在服务端开发中算是一个比较重要的特性。因为Nginx除了作为常规的Web服务器外，还会被大规模的用于反向代理前端，因为Nginx的异步框架可以处理很大的并发请求，把这些并发请求hold住之后就可以分发给后台服务端(backend servers, 后面简称backend)来做复杂的计算、处理和响应，并且在业务量增加的时候可以方便地扩容后台服务器。

负载均衡可以分为硬件负载均衡和软件负载均衡，前者一般是专用的软件和硬件相结合的设备，设备商会提供完整成熟的解决方案，通常也会更加昂贵。软件的复杂均衡以Nginx占据绝大多数，本文也是基于其手册做相应的学习研究的。

一、基本简介

负载均衡涉及到以下的基础知识。

(1) 负载均衡算法

a. Round Robin: 对所有的backend轮训发送请求，算是简单的方式了，也是默认的分配方式；

b. Least Connections(least_conn): 跟踪和backend当前的活跃连接数目，少的连接数目说明这个backend负载轻，将请求分配给他，这种方式会考虑到配置中给每个upstream分配的weight权重信息；

c. Least Time(least_time): 请求会分配给响应快和活跃连接数少的backend；

d. IP Hash(ip_hash): 对请求来源IP地址计算hash值，IPv4会考虑前3个octet，IPv6会考虑所有的地址位，然后根据得到的hash值通过某种映射分配到backend；

e. Generic Hash(hash): 以用户自定义资源(比如URL)的方式计算hash值完成分配，其可选consistent关键字支持一致性hash特性；

(2) 会话一致性

用户(浏览器)在和服务端交互的时候，通常会在本地保存一些信息，而整个过程叫做一个会话(Session)并用的Session ID进行标识。会话的概念不仅用于购物车这种常见情况，因为HTTP协议是无状态的，所以任何需要逻辑上下文的情形都必须使用会话机制，此外HTTP客户端也会额外缓存一些数据在本地，这样就可以减少请求提高性能了。如果负载均衡可能将这个会话的请求分配到不同的后台服务端上，这肯定是不合适的，必须通过多个backend共享这些数据，效率肯定会很低下，简单的情况是保证会话一致性——相同的会话每次请求都会被分配到同一个backend上去。

(3) 后台服务端的动态配置

出问题的backend要能被及时探测并剔除出分配群，而当业务增长的时候可以灵活的添加backend数目。此外当前风靡的Elastic Compute云计算服务，服务商也应当根据当前负载自动添加和减少backend主机。

(4) 基于DNS的负载均衡

通常现代的网络服务者一个域名会关连到多个主机，在进行DNS查询的时候，默认情况下DNS服务器会以round-robin形式以不同的顺序返回IP地址列表，因此天然将客户请求分配到不同的主机上去。不过这种方式含有固有的缺陷：DNS不会检查主机和IP地址的可访问性，所以分配给客户端的IP不确保是可用的(Google 404)；DNS的解析结果会在客户端、多个中间DNS服务器不断的缓存，所以backend的分配不会那么的理想。

二、Nginx中的负载均衡

Nginx中的负载均衡配置在手册中描述的极为细致。对于常用的HTTP负载均衡，主要先定义一个upstream作为backend group，然后通过proxy_pass/fastcgi_pass等方式进行转发操作，其中fastcgi_pass几乎算是Nginx+PHP站点的标配了。

2.1 会话一致性

Nginx中的会话一致性是通过sticky开启的，会话一致性和之前的负载均衡算法之间并不冲突，只是需要在次分配之后，该会话的所有请求都分配到那个相同的backend上面。目前支持三种模式的会话一致性：

(1). Cookie Insertion

在backend次response之后，会在其头部添加一个session cookie，之后客户端接下来的请求都会带有这个cookie值，Nginx可以根据这个cookie判断需要转发给哪个backend了。

sticky cookie srv_id expires=1h domain=.example.com path=/;