基于Nginx的Web服務(wù)器負(fù)載均衡策略改進(jìn)與實現(xiàn)

摘? 要：互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展越來越深地融入進(jìn)普通人的生活，網(wǎng)民的數(shù)量激增，各網(wǎng)站的訪問數(shù)字也呈逐年上升的態(tài)勢。但是由于各個地區(qū)網(wǎng)民人數(shù)的差異加上經(jīng)濟(jì)水平的不同，傳統(tǒng)的負(fù)載均衡策略存在改進(jìn)的空間，該文針對如何平衡負(fù)載進(jìn)行了研究，分析了Nginx系統(tǒng)的現(xiàn)狀，提供了負(fù)載均衡算法，以優(yōu)化Nginx的性能。

關(guān)鍵詞：Nginx? Web服務(wù)器? 性能優(yōu)化? 負(fù)載均衡

中圖分類號：TP393? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）04（b）-0017-02

1? Nginx的研究現(xiàn)狀

Nginx是俄羅斯人塞索耶夫所撰寫的涉及到HTTP服務(wù)器的一款反向代理軟件，是一種和POP3、SMTP、IMAP相同的代理服務(wù)器。雖然這款服務(wù)器產(chǎn)生和發(fā)展的時間都不夠長，但是這種服務(wù)器已經(jīng)具備了一些鮮明的特點，使得其穩(wěn)定性和高消耗性能夠滿足開源和代碼編寫的基本需求，所以這種服務(wù)器在很多開發(fā)人員當(dāng)中受到歡迎，一些公司也大量采用，NGXPAGESPEED是一種谷歌借助Nginx所開發(fā)的模塊，這種模塊飛速地提升了網(wǎng)頁打開的速度，并且可以幫助網(wǎng)頁降低訪問的延遲。Nginx在我國的應(yīng)用非常廣泛，已經(jīng)有了大量的人員在研究這些項目，并且根據(jù)這個模塊開發(fā)出了不同的項目。針對大量網(wǎng)站的訪問申請，在這個平臺的基礎(chǔ)上，增加上更具特色的功能和特性，可以基本實現(xiàn)負(fù)載均衡。關(guān)于負(fù)載均衡的研究一直是這個領(lǐng)域的特色所在，相同的領(lǐng)域也一直有不同的算法被開發(fā)出來，分布式計算和云計算相關(guān)的新算法不斷被研究出來，在這個領(lǐng)域形成了鮮明的特色，節(jié)點和負(fù)載的性能經(jīng)常影響負(fù)載的衡量和權(quán)重，負(fù)載的值如果非常大，那么其權(quán)重一般也非常大。Nginx已經(jīng)在俄羅斯的門戶網(wǎng)站www.rambler.ru上運(yùn)行了多年，有超過20%的虛擬主機(jī)平臺選用了Nginx為反向代理服務(wù)器。我國也已經(jīng)有新浪博客、網(wǎng)易新聞、金山詞霸等多家網(wǎng)站選用了這種服務(wù)器。塞索耶夫?qū)㈤_源的代碼以類似于BSD許可證的方法發(fā)布，Nginx由于性能非常穩(wěn)定，功能方面具有富集效應(yīng)，在配置基礎(chǔ)文件和系統(tǒng)資源的時候功率消耗比較低，和Nginx負(fù)載相關(guān)的均衡計算研究方法的類型之中，很多內(nèi)容集中在服務(wù)器集群之上，根據(jù)算法和配置文件的不同，內(nèi)置的算法有不同的類型，加權(quán)輪詢的算法也是其中的一個種類，一致性哈希算法也算是其中的一種。

2? 負(fù)載均衡的概念

負(fù)載均衡是針對現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提出來的概念，提供了一種廉價而高效的方法，建立在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，可以增加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器的帶寬，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容的吞吐量，強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理能力，提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的靈活性和可用性。負(fù)載均衡一般是通過硬件實現(xiàn)的，有時也可以通過軟件實現(xiàn)，負(fù)載均衡可以提升網(wǎng)絡(luò)處理數(shù)據(jù)的靈活性和可靠性。軟件負(fù)載均衡是通過一臺或多臺服務(wù)器的相互連接，在操作系統(tǒng)之上加裝附加軟件來實現(xiàn)負(fù)載均衡，優(yōu)點是可以根據(jù)特定環(huán)境的不同，進(jìn)行簡單配置、靈活操作，由于成本低廉，可以基本滿足一般的負(fù)載均衡需求，硬件的負(fù)載均衡解決方案是在服務(wù)器和外部網(wǎng)絡(luò)之上加載負(fù)載均衡的設(shè)備，我們將這種設(shè)備稱為負(fù)載均衡器，可以由專門的設(shè)備完成相應(yīng)的任務(wù)，這些設(shè)備獨立于操作系統(tǒng)之外，整體性能可以獲得提升。根據(jù)多樣化的負(fù)載均衡策略，進(jìn)行智能化的流量管理升級，可以達(dá)到最佳的負(fù)載均衡要求。一般來說，硬件的負(fù)載均衡會優(yōu)于軟件的負(fù)載均衡，硬件的負(fù)載均衡在功能和性能方面要優(yōu)于軟件，但是硬件更加昂貴。現(xiàn)代化的負(fù)載均衡技術(shù)通常在網(wǎng)絡(luò)的第四層次或者第七層次，四層的負(fù)載均衡是將Internet 上的合法IP地址映射到多個服務(wù)器之上，最終達(dá)到負(fù)載均衡的目的。七層的負(fù)載均衡是控制應(yīng)用層的內(nèi)容，可以提供一種針對流量的訪問控制模式。針對HTTP服務(wù)器的應(yīng)用指標(biāo)，第七層的負(fù)載均衡技術(shù)可以通過HTTP的報頭，根據(jù)報頭的內(nèi)容實現(xiàn)負(fù)載均衡的操作。

3? 和Nginx相關(guān)的負(fù)載均衡算法

與Nginx有關(guān)聯(lián)的負(fù)載均衡算法的種類非常多，負(fù)載均衡所要達(dá)到的目標(biāo)就是通過并發(fā)的方式，將不同的請求分配給集群服務(wù)器，根據(jù)算法內(nèi)置的差異，可以將內(nèi)置算法分成不同的種類，分別是擴(kuò)展算法和內(nèi)置算法。加權(quán)輪詢的算法模式一般都被認(rèn)為是內(nèi)置算法的一個種類，哈希性算法一般被認(rèn)為是擴(kuò)展算法的一個種類。

3.1 加權(quán)輪詢的算法

在設(shè)置與負(fù)載均衡有關(guān)的算法的時候，根據(jù)負(fù)載均衡是默認(rèn)值還是輪詢算法的不同，考慮到加權(quán)輪詢算法的缺點，根據(jù)輪詢算法的重復(fù)方面的配置問題，服務(wù)器的真實性能可能會難以保證，由于客戶端對于客戶的請求的處理方法會有不一致的地方，因此會產(chǎn)生一些均衡方面的差異，導(dǎo)致一些服務(wù)器的比重出現(xiàn)增大的狀況。很多用戶會因此出現(xiàn)長時間等待的問題，如果出現(xiàn)了新的請求需要處理的問題，還涉及到某類服務(wù)器的比重過大的問題，新的請求在這種狀態(tài)下就會被要求分給服務(wù)器。服務(wù)器在負(fù)荷較大的情況下可能會出現(xiàn)超載的問題，但是其他的一些服務(wù)器在這個時候可能會遇到請求需要處理的情況。

3.2 一致性哈希算法

這種算法的原理是根據(jù)服務(wù)器地址的不同，按照一定的規(guī)則進(jìn)行分配，分配的方法類似于路由分配表，根據(jù)服務(wù)器承載的服務(wù)的類型進(jìn)行區(qū)分，將同樣的內(nèi)容分配到一致性的哈希表當(dāng)中，如果有新的數(shù)據(jù)請求需要進(jìn)行處理，可以根據(jù)哈希表之中的數(shù)據(jù)順序進(jìn)行處理，選擇最新的服務(wù)器來對請求進(jìn)行處理。哈希算法的優(yōu)點是可以將服務(wù)器的地址按照一定的規(guī)則進(jìn)行處理，快速地尋找到存儲這種數(shù)據(jù)類型的服務(wù)器，但是這樣的設(shè)置也有一些缺點，比如根據(jù)路由狀態(tài)的不同所形成的哈希表，會和一些服務(wù)器分屬于不同的緩存服務(wù)器，在這樣的情況下會因為IP段的請求的種類不同，分配一些不同的內(nèi)容于服務(wù)器之上。

4? Nginx負(fù)載均衡的優(yōu)點和環(huán)境適應(yīng)性

4.1 Nginx負(fù)載均衡的優(yōu)點

Nginx負(fù)載均衡的現(xiàn)實環(huán)境情況較為簡單，可配置性比較強(qiáng)，根據(jù)URL進(jìn)行的負(fù)載均衡，默認(rèn)后端進(jìn)行健康檢查的性能，后端機(jī)器在較少的情況之下，負(fù)載均衡的表現(xiàn)能力較強(qiáng)，優(yōu)點主要有如下幾點。（1）負(fù)載的功能強(qiáng)大，同時支持高端并發(fā)的連接，實現(xiàn)的內(nèi)存消耗較少，測試的時候得到了5萬并發(fā)的連接，實際的運(yùn)行環(huán)境之中進(jìn)行3萬發(fā)的并發(fā)連接下，進(jìn)行10個Nginx的進(jìn)程所消耗掉的內(nèi)存也僅僅只有150MB。（2）成本造價低廉，Nginx為開源的軟件，所以可以進(jìn)行免費(fèi)試用，成本造價方面有優(yōu)勢。（3）由于Nginx工作在網(wǎng)絡(luò)的第七層級之上，因此針對HTTP本身的分流策略而言，可以對域名、目錄結(jié)構(gòu)等實現(xiàn)分流，實現(xiàn)多種策略的分配，比如說可以針對IP Hsh的分配策略實現(xiàn)均衡分配。

4.2 環(huán)境適應(yīng)性

七層次的均衡分配各自有其突出特點，主要表現(xiàn)在如下一些方面。（1）對HTTP的報頭進(jìn)行檢查，可以檢測到HTTP400和HTTP500系列的錯誤數(shù)值信息，可以實現(xiàn)透明且連續(xù)的重新定位到新的服務(wù)器，避免出現(xiàn)應(yīng)用層次的故障。（2）根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同，對不同類型的數(shù)據(jù)包，流入圖像文件、壓縮文件和多媒體文件等不同格式的文件進(jìn)行分類，根據(jù)數(shù)據(jù)流行的指引來對服務(wù)器的內(nèi)容進(jìn)行處理，如此可以提升系統(tǒng)的性能。（3）根據(jù)連接請求的類型不同，對普通文本以及圖像等靜態(tài)的內(nèi)容進(jìn)行處理，不論是CGI還是ASP等動態(tài)的文檔請求，都可以指引向特定的服務(wù)器，從而提升系統(tǒng)整體的安全性。（4）Nginx對于網(wǎng)絡(luò)的依賴性特別小，只有通過Ping上可以行得通，網(wǎng)頁訪問可以正常，Nginx就可以正常連接，Nginx同時還能對內(nèi)外網(wǎng)進(jìn)行區(qū)分，如果是同時用于許多的外網(wǎng)節(jié)點，可以根據(jù)單機(jī)對設(shè)備的路線進(jìn)行分配。（5）Nginx對于網(wǎng)絡(luò)的要求比較簡單，轉(zhuǎn)向業(yè)務(wù)配置分類之后的操作較為靈活，進(jìn)行文件配置也操作簡便，風(fēng)格和普通程序一樣比較容易弄懂，測試起來也非常方便，同時可以及時地對錯誤日志進(jìn)行打印操作。（6）Nginx所承受的高負(fù)載具有穩(wěn)定性，可以用于反向代理，出現(xiàn)宕機(jī)的概率也比較小。（7）通過Nginx可以檢測服務(wù)器內(nèi)部出現(xiàn)的故障，可以根據(jù)服務(wù)器處理網(wǎng)頁返回的代碼狀態(tài)和是否超時等因素進(jìn)行判斷，把返回的錯誤請求提交關(guān)鍵節(jié)點，內(nèi)置的健康檢查功能也可以嘗試運(yùn)用，有時還具有消滅冗余的功能，在針對后端返回的情況處理的判斷之中，可以嘗試運(yùn)用Nginx進(jìn)行Web服務(wù)器的宕機(jī)測試，也不會影響前端的訪問。（8）更加節(jié)省帶寬，由于是通過GZIP進(jìn)行的壓縮，所以可以添加游覽器的header本地接頭。

5? Nginx的性能優(yōu)化

Nginx一般支持正規(guī)的表達(dá)方式，配置非常靈活，是一種高性能的Web服務(wù)器，針對Nginx的性能進(jìn)行優(yōu)化的時候，一般只有一個配置的選項，可以在更改之后再次更改回原來的數(shù)值。如下幾個方面需要特別關(guān)注：（1）控制進(jìn)程數(shù)量的創(chuàng)制過程中，Nginx可以實現(xiàn)工作進(jìn)程的多個進(jìn)程的同時運(yùn)用，很多工作都可以實現(xiàn)對大量的鏈接數(shù)量的快速處理，Nginx可以通過主進(jìn)程對工作進(jìn)行某些方面的創(chuàng)建，很多數(shù)值都是通過文件配置的方式將Nginx當(dāng)中的文件進(jìn)行清理，如果出現(xiàn)數(shù)值比較低的狀況，會根據(jù)數(shù)據(jù)的有效處理的請求進(jìn)行分配。如果設(shè)置的數(shù)值的區(qū)間比較高，有可能出現(xiàn)工作進(jìn)程處置方面的問題，最終出現(xiàn)導(dǎo)致系統(tǒng)的功耗增加的問題，產(chǎn)生系統(tǒng)功耗的損失等情況。（2）大多數(shù)工作進(jìn)程都固定在CPU之內(nèi)，這樣做的好處是避免了同一個工作進(jìn)程選擇不同的CPU內(nèi)核。（3）在設(shè)置Nginx模塊的時候，注意進(jìn)程可以打開的最大文件數(shù)的設(shè)置，如果這個數(shù)值設(shè)置得比較低，同時打開多個進(jìn)程數(shù)的時候，會出現(xiàn)打開的文件過多的提示。

6? 結(jié)語

國外的技術(shù)人員對于Nginx的研究逐步深入，這個技術(shù)的穩(wěn)定性、安全性和高效性兼具的特點使其值得進(jìn)行大范圍的應(yīng)用，我國的科技人員對該技術(shù)的研究也勢必大大增強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

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[2] 黎宇.Nginx在不同網(wǎng)絡(luò)域名訪問中的應(yīng)用[J].通訊世界，2019，26（2）：88-89.

①作者簡介：周潮（1996，7—），男，漢族，湖北黃岡人，本科在讀，研究方向：基于nginx的web服務(wù)器負(fù)載均衡策略改進(jìn)與實現(xiàn)。