五、企业级架构之Nginx负载均衡

一、负载均衡技术

1、介绍：

负载均衡技术（Load Balance）是一种概念，其原理就是把分发流量、请求到不同的服务器，平均分配用户请求。

2、作用：

① 流量分发，请求平均，提高系统处理能力，降低单例压力。

② 安全，隐藏后端真实服务。

③ 屏蔽非法请求。（七层负载均衡）

3、负载均衡分类：

① 二层负载均衡 (mac)：二层负载均衡主要工作在网络的数据链路层，它通过虚拟MAC地址的方式实现。当外部请求到达时，负载均衡器接收这些请求，替换请求的目标MAC地址为实际服务器的MAC地址。

② 三层负载均衡 (ip)：三层负载均衡工作在网络层，外部请求首先发送到虚拟IP地址，负载均衡器接收这些请求后，根据一定的算法（如轮询、权重等）选择一个后端服务器，并将请求的目标IP地址替换为所选服务器的实际IP地址。

③ 四层负载均衡 (tcp)：四层负载均衡在三层的基础上增加了对传输层（TCP/UDP）信息的处理。它不仅根据IP地址进行转发，还考虑端口号。当请求到达时，负载均衡器会根据请求的IP地址和端口号来选择后端服务器，并转发请求。

④ 七层负载均衡 (http)：七层负载均衡也称为应用层负载均衡，它工作在OSI模型的最高层——应用层。它不仅能够根据IP地址和端口号进行转发，还能解析应用层协议（如HTTP）的内容，并根据协议中的特定信息（如URL、Cookie等）来选择后端服务器。

4、四层与七层负载的区别：

(1) 四层负载均衡：

四层负载均衡根据报文中的目标地址和端口信息来选择后端服务器。当负载均衡设备接收到客户端的SYN请求时，它会根据预设的算法（如轮询、最少连接数等）选择一个最佳的服务器，并修改报文中的目标IP地址，将请求转发给该服务器。

在四层负载中，负载均衡设备只是起到一个类似路由器的转发动作，TCP的三次握手是客户端和服务器直接建立的。

(2) 七层负载均衡：

又称为“内容交换”，也就是通过报文中的真正有意义的应用层内容，再加上负载均衡设备设置的服务器选择方式，决定最终选择的内部服务器。例如对图片类的请求转发到特定的图片服务器；将对文字类的请求可以转发到特定的文字服务器。

在七层负载中，负载均衡设备更类似于一个代理服务器，负载均衡和前端的客户端以及后端的服务器都会分别建立TCP连接。

二、负载均衡器LB配置

1、停止web01/web02中的keepalived服务：

负载均衡器LB自带故障转移功能，当某个服务器出现故障时，负载均衡器能够自动将流量转移到其他健康的服务器上。因此不需要在web服务器上再配置keepalived。

2、准备负载均衡器LB：

克隆负载虚拟机LB，修改IP、UUID、hosts，关闭防火墙、selinux和NetworkManager

三、nginx负载均衡实现

1、把www.shop.com域名解析到LB：

2、在LB上编译安装Nginx：

(1) 安装依赖库和环境：

yum -y install pcre-devel zlib-devel openssl-devel

yum -y install gcc gcc-c++ autoconf automake make

(2) 编译安装nginx：

tar -zxf nginx-1.16.0.tar.gz
cd nginx-1.16.0
useradd -r -s /sbin/nologin www
./configure --prefix=/usr/local/nginx --user=www --group=www --with-http_ssl_module --with-http_stub_status_module --with-http_realip_module
make && make install
/usr/local/nginx/sbin/nginx -c /usr/local/nginx/conf/nginx.conf

3、nginx负载均衡配置：

upstream shop {
    server 10.1.1.11;  
    server 10.1.1.13;
}

server {  
    listen 80;
    server_name www.shop.com;

    location / {
        proxy_pass http://shop;
        proxy_set_header HOST $host;
        proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;
        proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;
    }
}

(1) 负载配置：

① upstream shop：定义了一个名为 shop 的后端服务器组，其中包含了两台服务器 web01 和 web02。

② server_name www.shop.com：指定服务器接受的请求针对的是域名www.shop.com。

③ proxy_pass http://shop：http://shop 是一个代理传递的目标，代理服务器将客户端的请求传递给shop组中定义的服务器，http://10.1.1.11

④ proxy_set_header HOST $host：代理服务器将原始请求中的Host请求头保留并传递给后端服务器。后端应用程序（如PHP）依赖Host请求头来确定如何响应请求，如果没有正确的Host请求头，后端应用程序可能无法正确运行。

完成了上述配置就已实现了负载均衡。

检验负载均衡效果：

vim /home/www/public/index.php

echo "web01"; / echo "web02";

(2) 获取客户端真实IP地址：

当查看web服务器的日志时，发现只能获取到代理服务器的访问信息。这是因为真实客户端请求通过代理服务器转发至后端服务器，因此后端服务器认为请求都是由代理服务器发出的。

① 修改LB配置：

想要后端服务器能够获取到真实的客户端IP地址，需要在LB的nginx配置文件中添加如下两条配置：

proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;

proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;

② web01、web02修改日志格式：

http {
    ……
    log_format main '$remote_addr - $remote_user [$time_local] "$request" ' 
                    '$status $body_bytes_sent "$http_referer" '
                    '"$http_user_agent" "$http_x_forwarded_for"';
    access_log logs/access.log main;
    ……
}

access_log logs/access.log main：指定访问日志的位置

"$http_x_forwarded_for"：获取负载均衡转发前的IP

查看日志：

4、负载均衡与反向代理的区别：

负载均衡（Load Balancing）的主要目的是根据不同的算法，在多个服务器之间分配工作负载，以确保每个服务器都能够有效地处理请求，提高整体系统的性能和可用性。

反向代理（Reverse Proxy）则位于客户端和服务器之间，客户端向反向代理发送请求，然后反向代理将请求转发给后端的服务器，反向代理可以用来隐藏服务器的真实信息。

5、分发请求关键字：

upstream中的分发之后有几个关键字：

backup：备用，当upstream中定义的其他服务器都不可用时，才会将请求分发至此服务器。

down：标记为down的服务器不会被用来处理任何请求，通常用于将某个已经出现故障的服务器从负载均衡中移除。

upstream {
    server 10.1.1.10 backup或down;
    server 10.1.1.12;
}

6、nginx 负载均衡算法：

① round robin轮询方式，默认的负载均衡方式，依次将请求分配到各个后台服务器中，适用于后台机器性能一致的情况。

② weight：根据权重来分发请求到不同的机器中，指定轮询几率，用于后端服务器性能不均的情况。

upstream {
    server 10.1.1.10 weight=8;
    server 10.1.1.12 weight=2;
}

③ IP_hash：根据请求者ip的hash值将请求发送到后台服务器中，可以保证来自同一ip的请求被分配固定的机器上。

upstream {
    ip_hash;
    server 10.1.1.10;
    server 10.1.1.12;
}

6、session持久性：

(1) cookies 与 session：

Cookies和Session是Web中常用的两种状态管理机制，用于跟踪用户会话和存储用户信息。

① Cookies存储在客户端上，Cookies可以设置过期时间，过期后自动删除，也可以选择不过期，由用户手动清除。

② Session通常存储在服务器上。Session的生命周期通常与用户的浏览器会话相关联，当用户关闭浏览器或会话超时后，Session会失效。

(2) 负载均衡出现的问题：

当负载均衡配置了轮询算法后，可能会出现验证码登录失败的问题。这是因为用户在一台服务器上输入了验证码，但随后的请求被负载均衡器路由到了另一台服务器，导致会话信息不同步，从而引发登录失败。

(3) 解决方案：

通过ip_hash算法，将生成验证码和验证都请求同一台服务器，实现session会话持久性。

upstream shop {
    ip_hash;
    server 10.1.1.11;
    server 10.1.1.13;
}

sbin/nginx -s reload

配置完成后即可成功登录：