解析nginx負(fù)載均衡
摘要：對于一個大型網(wǎng)站來說，負(fù)載均衡是永恒的話題。隨著硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展，越來越多的負(fù)載均衡硬件設(shè)備涌現(xiàn)出來，如F5 BIG-IP、Citrix NetScaler、Radware等等，雖然可以解決問題，但其高昂的價格卻往往令人望而卻步，因此負(fù)載均衡軟件仍然是大部分公司的不二之選。 nginx作為webserver的后起之秀，其優(yōu)秀的反向代理功能和靈活的負(fù)載均衡策略受到了業(yè)界廣泛的關(guān)注。本文將以工業(yè)生產(chǎn)為背景，從設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和具體應(yīng)用等方面詳細(xì)介紹nginx負(fù)載均衡策略。
1. 前言
隨著互聯(lián)網(wǎng)信息的爆炸性增長，負(fù)載均衡（load balance）已經(jīng)不再是一個很陌生的話題，顧名思義，負(fù)載均衡即是將負(fù)載分?jǐn)偟讲煌姆?wù)單元，既保證服務(wù)的可用性，又保證響應(yīng)足夠快，給用戶很好的體驗(yàn)。快速增長的訪問量和數(shù)據(jù)流量催生了各式各樣的負(fù)載均衡產(chǎn)品，很多專業(yè)的負(fù)載均衡硬件提供了很好的功能，但卻價格不菲，這使得負(fù)載均衡軟件大受歡迎，nginx就是其中的一個。
nginx***個公開版本發(fā)布于2004年，2011年發(fā)布了1.0版本。它的特點(diǎn)是穩(wěn)定性高、功能強(qiáng)大、資源消耗低，從其目前的市場占有而言，nginx大有與apache搶市場的勢頭。其中不得不提到的一個特性就是其負(fù)載均衡功能，這也成了很多公司選擇它的主要原因。本文將從源碼的角度介紹nginx的內(nèi)置負(fù)載均衡策略和擴(kuò)展負(fù)載均衡策略，以實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)為案例，對比各負(fù)載均衡策略，為nginx使用者提供參考。
2. 源碼剖析
nginx的負(fù)載均衡策略可以劃分為兩大類：內(nèi)置策略和擴(kuò)展策略。內(nèi)置策略包含加權(quán)輪詢和ip hash，在默認(rèn)情況下這兩種策略會編譯進(jìn)nginx內(nèi)核，只需在nginx配置中指明參數(shù)即可。擴(kuò)展策略有很多，如fair、通用hash、 consistent hash等，默認(rèn)不編譯進(jìn)nginx內(nèi)核。由于在nginx版本升級中負(fù)載均衡的代碼沒有本質(zhì)性的變化，因此下面將以nginx1.0.15穩(wěn)定版為例，從源碼角度分析各個策略。
2.1. 加權(quán)輪詢（weighted round robin）
輪詢的原理很簡單，首先我們介紹一下輪詢的基本流程。如下是處理一次請求的流程圖：
圖中有兩點(diǎn)需要注意，***，如果可以把加權(quán)輪詢算法分為先深搜索和先廣搜索，那么nginx采用的是先深搜索算法，即將首先將請求都分給高權(quán)重的機(jī)器，直到該機(jī)器的權(quán)值降到了比其他機(jī)器低，才開始將請求分給下一個高權(quán)重的機(jī)器；第二，當(dāng)所有后端機(jī)器都down掉時，nginx會立即將所有機(jī)器的標(biāo)志位清成初始狀態(tài)，以避免造成所有的機(jī)器都處在timeout的狀態(tài)，從而導(dǎo)致整個前端被夯住。
接下來看下源碼。nginx源碼的目錄結(jié)構(gòu)很清晰，加權(quán)輪詢所在路徑為nginx-1.0.15/src/http /ngx_http_upstream_round_robin.[c|h]，在源碼的基礎(chǔ)上，針對重要的、不易理解的地方我加了注釋。首先看下 ngx_http_upstream_round_robin.h中的重要聲明：
從變量命名中，我們就可以大致猜出其作用。其中，current_weight和weight的區(qū)別主要是前者為權(quán)重排序的值，隨著處理請求會動態(tài)的變化，后者是配置值，用于恢復(fù)初始狀態(tài)。
接下來看下輪詢的創(chuàng)建過程，代碼如下圖所示。
這里有個tried變量需要做些說明。tried中記錄了服務(wù)器當(dāng)前是否被嘗試連接過。他是一個位圖。如果服務(wù)器數(shù)量小于32，則只需在一個int中即可記錄下所有服務(wù)器狀態(tài)。如果服務(wù)器數(shù)量大于32，則需在內(nèi)存池中申請內(nèi)存來存儲。對該位圖數(shù)組的使用可參考如下代碼：
***是實(shí)際的策略代碼，邏輯很簡單，代碼實(shí)現(xiàn)也只有30行，直接上代碼。
2.2. ip hash
ip hash是nginx內(nèi)置的另一個負(fù)載均衡的策略，流程和輪詢很類似，只是其中的算法和具體的策略有些變化，如下圖所示：
ip hash算法的核心實(shí)現(xiàn)如下圖：
從代碼中可以看出，hash值既與ip有關(guān)又與后端機(jī)器的數(shù)量有關(guān)。經(jīng)過測試，上述算法可以連續(xù)產(chǎn)生1045個互異的value，這是該算法的硬限制。對此nginx使用了保護(hù)機(jī)制，當(dāng)經(jīng)過20次hash仍然找不到可用的機(jī)器時，算法退化成輪詢。因此，從本質(zhì)上說，ip hash算法是一種變相的輪詢算法，如果兩個ip的初始hash值恰好相同，那么來自這兩個ip的請求將永遠(yuǎn)落在同一臺服務(wù)器上，這為均衡性埋下了很深的隱患。
2.3. fair
fair策略是擴(kuò)展策略，默認(rèn)不被編譯進(jìn)nginx內(nèi)核。其原理是根據(jù)后端服務(wù)器的響應(yīng)時間判斷負(fù)載情況，從中選出負(fù)載最輕的機(jī)器進(jìn)行分流。這種策略具有很強(qiáng)的自適應(yīng)性，但是實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境往往不是那么簡單，因此要慎用。
2.4. 通用hash、一致性hash
這兩種也是擴(kuò)展策略，在具體的實(shí)現(xiàn)上有些差別，通用hash比較簡單，可以以nginx內(nèi)置的變量為key進(jìn)行hash，一致性hash采用了nginx內(nèi)置的一致性hash環(huán)，可以支持memcache。
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3. 對比測試
本測試主要為了對比各個策略的均衡性、一致性、容災(zāi)性等，從而分析出其中的差異性，并據(jù)此給出各自的適用場景。為了能夠全面、客觀的測試nginx 的負(fù)載均衡策略，我們采用了兩個測試工具、在不同場景下做測試，以此來降低環(huán)境對測試結(jié)果造成的影響。首先簡單介紹測試工具、測試網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜突镜臏y試流程。
3.1. 測試工具
3.1.1 easyABC
easyABC是公司內(nèi)部開發(fā)的性能測試工具，采用epool模型實(shí)現(xiàn)，簡單易上手，可以模擬GET/POST請求，極限情況下可以提供上萬的壓力，在公司內(nèi)部得到了廣泛的使用。由于被測試對象為反向代理服務(wù)器，因此需要在其后端搭建樁服務(wù)器，這里用nginx作為樁webserver，提供最基本的靜態(tài)文件服務(wù)。
3.1.2 polygraph
polygraph是一款免費(fèi)的性能測試工具，以對緩存服務(wù)、代理、交換機(jī)等方面的測試見長。它有規(guī)范的配置語言PGL（Polygraph Language），為軟件提供了強(qiáng)大的靈活性。其工作原理如下圖所示：
polygraph提供client端和server端，將測試目標(biāo)nginx放在二者之間，三者之間的網(wǎng)絡(luò)交互均走h(yuǎn)ttp協(xié)議，只需配置 ip+port即可。client端可以配置虛擬robot的個數(shù)以及每個robot發(fā)請求的速率，并向代理服務(wù)器發(fā)起隨機(jī)的靜態(tài)文件請求，server 端將按照請求的url生成隨機(jī)大小的靜態(tài)文件做響應(yīng)。這也是選用這個測試軟件的一個主要原因：可以產(chǎn)生隨機(jī)的url作為nginx各種hash策略的key。
另外，polygraph還提供了日志分析工具，功能比較豐富，感興趣的同學(xué)可以參考附錄中的相關(guān)材料。
3.2. 測試環(huán)境
本測試運(yùn)行在5臺物理機(jī)上，其中被測對象單獨(dú)搭在一臺8核機(jī)器上，另外四臺4核機(jī)器分別搭建了easyABC、webserver樁和polygraph，如下圖所示：
3.3. 測試方案
首先介紹下關(guān)鍵的測試指標(biāo)：
均衡性：是否能夠?qū)⒄埱缶鶆虻陌l(fā)送給后端
一致性：同一個key的請求，是否能落到同一臺機(jī)器
容災(zāi)性：當(dāng)部分后端機(jī)器掛掉時，是否能夠正常工作
以上述指標(biāo)為指導(dǎo)，我們針對如下四個測試場景分別用easyABC和polygraph進(jìn)行測試：
場景1 server_*均正常提供服務(wù)；
場景2 server_4掛掉，其他正常；
場景3 server_3、server_4掛掉，其他正常；
場景4 server_*均恢復(fù)正常服務(wù)。
上述四個場景將按照時間順序進(jìn)行，每個場景將建立在上一個場景基礎(chǔ)上，被測試對象無需做任何操作，以***程度模擬實(shí)際情況。另外，考慮到測試工具自身的特點(diǎn)，在easyabc上的測試壓力在17000左右，polygraph上的測試壓力在4000左右。以上測試均保證被測試對象可以正常工作，且無任何notice級別以上（alert/error/warn）的日志出現(xiàn)，在每個場景中記錄下server_*的qps用于***的策略分析。
3.4. 測試結(jié)果
表1和圖1是輪詢策略在兩種測試工具下的負(fù)載情況。對比在兩種測試工具下的測試結(jié)果會發(fā)現(xiàn)，結(jié)果完全一致，因此可以排除測試工具的影響。從圖表中可以看出，輪詢策略對于均衡性和容災(zāi)性都可以做到很好的滿足。(點(diǎn)擊圖片查看大圖)
表2和圖2是fair策略在兩種測試工具下的負(fù)載情況。fair策略受環(huán)境影響非常大，在排除了測試工具的干擾之后，結(jié)果仍然有非常大的抖動。從直觀上講，這完全不滿足均衡性。但是從另一個角度出發(fā)，恰恰是由于這種自適應(yīng)性確保了在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中能夠物盡所用。因此，在應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中之前，需要在具體的環(huán)境中做好測試工作。(點(diǎn)擊圖片查看大圖)
以下圖表是各種hash策略，所不同的僅僅是hash key或者是具體的算法實(shí)現(xiàn)，因此一起做對比。實(shí)際測試中發(fā)現(xiàn)，通用hash和一致性hash均存在一個問題：當(dāng)某臺后端的機(jī)器掛掉時，原有落到這臺機(jī)器上的流量會丟失，但是在ip hash中就不存在這樣的問題。正如上文中對ip hash源碼的分析，當(dāng)ip hash失效時，會退化為輪詢策略，因此不會有丟失流量的情況。從這個層面上說，ip hash也可以看成是輪詢的升級版。(點(diǎn)擊圖片查看大圖)
圖5為ip hash策略，ip hash是nginx內(nèi)置策略，可以看做是前兩種策略的特例：以來源ip為key。由于測試工具不便于模擬海量ip下的請求，因此這里截取線上實(shí)際的情況加以分析，如下圖所示：
圖5 ip hash策略
圖中前1/3使用輪詢策略，中間段使用ip hash策略，后1/3仍然是輪詢策略。可以明顯的看出，ip hash的均衡性存在著很大的問題。原因并不難分析，在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，有大量的高校出口路由器ip、企業(yè)出口路由器ip等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)帶來的流量往往是普通用戶的成百上千倍，而ip hash策略恰恰是按照ip來劃分流量，因此造成上述后果也就自然而然了。
4. 總結(jié)與展望
通過實(shí)際的對比測試，我們對nginx各個負(fù)載均衡策略進(jìn)行了驗(yàn)證。下面從均衡性、一致性、容災(zāi)性以及適用場景等角度對比各種策略。(點(diǎn)擊圖片查看大圖)
以上從源碼和實(shí)際的測試數(shù)據(jù)角度分析說明了nginx負(fù)載均衡的策略，并給出了各種策略適合的應(yīng)用場景。通過本文的分析不難發(fā)現(xiàn)，無論哪種策略都不是萬金油，在具體的場景下應(yīng)該選擇哪種策略一定程度上依賴于使用者對這些策略的熟悉程度。希望本文的分析和測試數(shù)據(jù)能夠?qū)ψx者有所幫助，更希望有越來越多、越來越好的負(fù)載均衡策略產(chǎn)出。
