Nginx 做负载均衡的几种轮询策略

一、nginx的upstream目前支持负载均衡方式的分配

1、RR（默认）

每个请求按时间顺序逐一分配到不同的后端服务器，如果后端服务器down掉，能自动剔除。

例如：

 upstream tomcats {

 server 10.1.1.107:88 max_fails=3 fail_timeout=3s weight=9;

 server 10.1.1.132:80 max_fails=3 fail_timeout=3s weight=9;

 }

 

2、ip_hash

每个请求按访问ip的hash结果分配，这样每个访客固定访问一个后端服务器，可以解决session的问题。

例如：

 upstream tomcats {

 ip_hash;

 server 10.1.1.107:88;

 server 10.1.1.132:80;

 }

 

3、fair（第三方）

按后端服务器的响应时间来分配请求，响应时间短的优先分配。

 

4、url_hash（第三方）

按访问url的hash结果来分配请求，使每个url定向到同一个后端服务器，后端服务器为缓存时比较有效。

 

下面，我们针对RR和ip_hash的负载均衡策略进行分析。因为每一种负载均衡策略都是在upstream的框架中使用，upstream控制总的工作流程，负载均衡策略仅仅提供选择或释放server的函数，所以，我们在分析RR时结合upstream（ngx_http_upstream.c）。ip_hash大部分内容与RR一致，只是重新实现RR中的ngx_http_upstream_get_peer函数。

 

二、RR策略

RR机制分为三个部分：初始化upstream，获取一个可用的后台服务器和释放后台服务器。

以下分析以此配置为例:

upstream backend  {

         server  A  max_fails=3fail_timeout=4s weight=9;

         server  B  max_fails=3fail_timeout=4s weight=9;

         server  C  max_fails=3fail_timeout=4s weight=9;

         server  D  backup;

         Server E  backup;

}

 

2.1 初始化upstream

   

   对于例子中的upstream backend来说，

 

首先初始化各个server,除了设置IP和端口号外，还要设置如下置weight，current_weight，max_fails和fail_timeout。其中max_fails和fail_timeout这两个参数是组合使用的，表示server 如果失败次数达到max_fails次，并保持fail_timeout秒之内该服务器不能被访问。

   对于serverA来说，设置如下

serverA.weight =9;

serverA.current_weight = 9; //初始值等于配置文件中的weight.

serverA.max_fails = 3;

serverA.fail_timeout = 4;

 

  接着，创建两个server类型（在下文介绍中，server类型等同于peer类型，都是用来指明存储upstream中一个server的信息）的数组，peers和backup，分别存储正常的轮循server和备用server.并且，按照数组中各个server的weight值的大小，由高到底排序。

  本例中，在数组peers中存储serverA、serverB和 serverC,并记录server的总个数peers->number=3; 在数组backup中存储serverD和serverE, 并记录server的总个数backup->number=2;

 

   最后，设置upstream中各个变量的值。

   rrp 表示当前要轮循的server数组，初始设置为Upstream->rrp = peers.

   tries表示尝试的次数，当尝试一个server失败后，tries的值就会减一。初始设置为peers的总个数。

   Next表示当peers数组中server都失败，不能提供服务了，通过upstream->next，切换到back数组中选择server.

 

2.2 具体的RR策略

 

2.2.1 ） 选择最初要轮循的server, 把它给rrp->current变量，跳转到2.2.2

  当一个客户端请求到达nginx后，nginx就会在upstream的peers数组中挑选一个current_weight最大的server作为当前请求最初要轮循的server.在peers数组中选取current_weight最大的算法如下：

   由于peers数组中的server是按照weight值的大小排序好的。

   它是通过双重循环，满足下列条件后,

 if (peer[n].current_weight * 1000 /peer[i].current_weight > peer[n].weight * 1000 /peer[i].weight)  //peer[i].current_weight不为0

    并且该server的current_weight大于0，就选择sever n, 把编号n赋给rrp->current，成功返回。

    如果当upstream的peers数组中的所有server的current_weight都为零时，立即无条件地把所有server的current_weight设置为初始值。for(i = 0; i < peers->number; i++) {

           peer[i].current_weight = peer[i].weight;

}

   然后，当所有server的current_weight设置为初始值后，重新查找peers数组中current_weight最大的server。把编号赋给rrp->current，返回。

 

2.2.2判断当前rrp->current所指向的server是否有效，如果无效，就会让rrp->current++，判断peers数组中下一个server，是否有效。至到找到有效的server为止.跳转到2.2.3; 否则跳转到2.2.2.1

 

    判断server 是否有效的方法是：

        1）如果server的失败次数（peers->peer[i].fails）没有达到了max_fails所设置的最大失败次数，则该server是有效的。

        2）如果server已经达到了max_fails所设置的最大失败次数，从这一时刻开始算起，在fail_timeout所设置的时间段内， server是无效的。

        3）当server的失败次数（peers->peer[i].fails）为最大的失败次数，当距离现在的时间超过了fail_timeout所设置的时间段， 则令peers->peer[i].fails=0，使得该server重新有效。

 

     2.2.2.1如果peers中所有的server都是无效的; 就会尝试去backup的数组中找一个有效的server, 如果找到，跳转到2.2.3;如果仍然找不到，表示此时upstream中无server可以使用。就会清空所有peers数组中所有的失败次数的记录，使所有server都变成了有效。这样做的目的是为了防止下次再有请求访问时，仍找不到一个有效的server.

for (i = 0; i < peers->number;i++) {

       peers->peer[i].fails = 0;

}

并返回错误码给nginx, nginx得到此错误码后，就不再向后台server发请求，而是在nginx的错误日志中输出“nolive upstreams while connecting to upstream”的记录（这就是nolive产生的真正原因），并直接返回给请求的客户端一个502的错误。

 

2.2.3当找到一个有效的server后，令该server的current_weight减一，然后，nginx就会尝试与该server建立连接。如果成功建立连接，跳转到2.2.4;否则 跳转到2.2..3.1

 2.2..3.1如果nginx在等待了proxy_connect_timeout所设置的时间段后（如3秒），连接仍然没有建立成功，nginx就在错误日志中输出“upstreamtimed out (110: Connection timed out) while connecting toupstream”的记录（这就是 timedout（连接超时）产生的真正原因）.

    2.2.3 .2 接着，让当前server的失败次数加一（peer->fails++;如果该server最大失败次达到最大失败次数，将在一段时间内该server是无效的），如果当前nginx与后台服务器的尝试次数没有达到upstream中server的总个数，重新跳转到2.2.2,轮循下一个server,继续尝试。如果达到最大尝试次数，就表示uptream中所有的server都尝试了一遍，没有server可以提供服务，返回一个504的错误给客户端。

 

    2.2.4当nginx与server建立连接成功后，如果server响应请求，把处理结果返回给nginx,

跳转到2.2.5; 否则跳转到2.2.4.1

    2.2.4.1如果nginx在等待了proxy_read_timeout所设置的时间段后（如30秒），server仍然没有对nginx发送来的请求作出响应，nginx就在错误日志中输出“upstreamtimed out (110: Connection timed out) while reading responseheader from upstream”的记录（这就是 timedout（读超时）产生的真正原因）.

       2.2.4.2 接着，让当前server的失败次数加一（peer->fails++;如果该server最大失败次达到最大失败次数，将在一段时间内该server是无效的），如果当前nginx与后台服务器的尝试次数没有达到upstream中server的总个数，重新跳转到2.2.2,轮循下一个server,继续尝试。如果达到最大尝试次数，就表示uptream中所有的server都尝试了一遍，没有server可以提供服务，返回一个504的错误给客户端。

 

2.2.5Nginx收到后台server传送过来的结果后，就会返回给客户端一个200的正确结果。这样，nginx作为反向代理的功能也就完成了。

 

 

 

三、Ip_hash策略

3.1 Ip_hash和RR 的策略有两点不同在于：

 

当一个客户请求到nginx后，

1）nginx如何选择一个最初的server,

2）以及当前选择的server不能提供服务时，如何选择下一个server.

 

3.2  RR策略回顾

从第二部分对RR的介绍中，我们知道：

当一个客户请求到达后，RR策略是从upstream的所有server中选择一个当前权重（current_weight）最大的server作为最初的server.

upstream的所有server是按照由高到低排序后存储在一个peers数组中，当最初选择的server不能提供服务时，RR策略就会选择peers数组中的下一个元素作为当前server，继续尝试，如果已经达到数组的最大元素，就会从第一个元素再轮循。

 

3.3 ip_hash策略介绍

  在ip_hash策略中，它选择最初的server的方法是根据请求客户端的IP计算出一个哈希值，再根据哈希值选择后台的服务器。

1）由IP计算哈希值的算法如下，其中公式中hash初始值为89，iphp->addr[i]表示客户端的IP，通过三次哈希计算得出一个IP的哈希值：

for (i = 0; i < 3; i++) {

     hash = (hash * 113 + iphp->addr[i]) % 6271;

}

 

2）在选择下一个server时，ip_hash的选择策略是这样的：

  它在上一次哈希值的基础上，再次哈希，就会得到一个全新的哈希值，再根据哈希值选择另外一个后台的服务器。

哈希算法仍然是

for (i = 0; i < 3; i++) {

     hash = (hash * 113 + iphp->addr[i]) % 6271;

}

 

   在这种ip_hash策略，如果一个后台服务器不能提供提服务（连接超时或读超时），该服务器的失败次数就会加一，当一个服务器的失败次数达到max_fails所设置的值，就会在fail_timeout所设置的时间段内不能对外提供服务，这点和RR是一致的。

  如果当前server不能提供服务，就会根据当前的哈希值再哈希出一个新哈希值，选择另一个服务器继续尝试，尝试的最大次是upstream中server的个数，如果server的个数超过20，也就是要最大尝试次数在20次以上，当尝试次数达到20次，仍然找不到一个合适的服务器，ip_hah策略不再尝试ip哈希值来选择server,而在剩余的尝试中，它会转而使用RR的策略，使用轮循的方法，选择新的server。

3）除了以上部分不同外，IP_hash的其余

 

 

 

 

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