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微服务 - Nginx网关 · 进程机制 · 限流熔断 · 性能优化 · 动态负载 · 高可用
来源:cnblogs  作者:Sol·wang  时间:2023/5/8 10:22:23  对本文有异议

系列目录:

本文的前提需要了解一些 Linux 知识。
以下围绕 Nginx 1.23 的网关应用;参考官网:http://nginx.org/
本文没有对概念性方面做深入的阐述,常见的是一笔带过,而更多的...是对配置项的解释。

为什么需要网关

通常后台提供了不同的应用服务,甚至是集群,每种服务每个服务,需要维护不同的请求地址,甚至服务认证、跨域等动作,管理起来比较麻烦。因此,需要一个网关,介于客户端和应用服务之间,所有的外部请求都会先经过网关,网关再把请求分发到目标服务。网关对外提供唯一请求入口,作为对外联系的窗口,易于管理和维护请求。

作者:[Sol·wang] - 博客园,原文出处:https://www.cnblogs.com/Sol-wang/

一、Nginx 概述

Nginx 不仅是一个高性能的Web服务器,还具备访问代理、负载均衡、内容缓存等功能,用于客户端访问流量到后台应用服务器负载均衡和请求转发。其基于模块化的代码架构及可与其它有效集成的可编程特性,使其具有强大的扩展能力。Nginx以资源消耗低、高稳定、高性能的并发处理能力著称。

1.1 Nginx 特性

访问代理
Nginx 可以通过访问路径、URL 关键字、客户端 IP等多种手段实现访问路由分配。

反向代理
将接收到的请求再转到后端的目标应用服务器,并把响应数据返回给客户端。支持目前绝大多数的网络协议:HTTP/FastCGI/RPC/UDP/TCP等。

负载均衡
通过自身的 upstream 模块支持多种负载均衡算法,使后端服务器可以非常方便地进行横向扩展,以应对高并发。

内容缓存
Nginx支持静态站点和后端分离,可以把静态内容缓存起来,也可以将后端变化不大的响应结果缓存起来,使整体实现了更高速的相应能力。

可扩展性
可定制的模块化架构方式,更多的语言(C/Perl/JavaScript/Lua)支持开发第三方模块并引入,增强可编程及扩展能力。

1.2 Nginx 进程

首先,进程是CPU管理的运行单元,CPU的单个核心也可以运行多个进程,只不过是交替运行着各个进程,称为时间片,这种方式速度很快,以至于看上去像在同时运行;多核CPU就能同时运行更多的进程。

Nginx是由多个进程运行,一个主进程Master和多个子进程Worker,主进程负责管理子进程,如:重启/重载/创建/销毁等,子进程负责处理具体的请求等业务功能。进程间共享内存数据,更多的进程带来更好的处理能力。

Nginx 进程运行示意图:
Nginx 进程运行示意图

1.3 Nginx 重载

Nginx支持配置信息的重载,并以最新的配置内容运行,当Nginx在高速运行的时候,如何做到平稳过渡呢?

相关命令:nginx -s reload

重载过程:
Nginx Master process 负责 fork 出一个新的 Worker process,最新的Worker使用新的配置信息运行,这时候就销毁一个旧的worker,此时,Worker有新旧之分,新Worker用新配置运行,旧Worker依然用旧配置运行,Master继续fork出新的Worker。。。以同样的方式持续替换旧Worker,直到全部替换完成。整个过程中,Nginx 并没有停止运行,丝滑过渡。

二、安装配置

2.1 编译安装

安装前提:

yum install gcc -y                # C语言编译器
yum install pcre pcre-devel -y    # PCRE Library
yum install zlib zlib-devel -y    # zlib Library

编译安装:

# 进入解压后的目录中 编译安装 [指定用户/组] [--with-追加自带模块名称] 
./configure --prefix=/usr/local/nginx [--user=www --group=www] [--with-http_gzip_static_module]
make && make install

2.2 启动实例

进入主进程目录:/usr/local/nginx/bin

nginx            # 启动
nginx -s stop    # 停止,立即
nginx -s quit    # 退出,处理完现有任务后
nginx -s reopen  # 重启
nginx -s reload  # 重载配置,交替更新工作进程

docker 运行 nginx 很简单:

拉取镜像:docker pull nginx
启动容器:docker run -d --name=ngx-a -p 80:80 nginx

浏览器打开主机IP显示 NGINX 欢迎页面。

影响 Nginx 的系统关联项

Firewall/UFW 防火墙:端口的开放
SELinux 权限的限制:请求后端的权限

2.3 配置文件结构

nginx 的配置文件默认存于 /etc/nginx/nginx.conf,其中通过 include 引入其它目录子配置文件。

  • 全局块:针对 Nginx 实例的设置,资源及事件的设定。
  • HTTP:从 Client 到 Nginx 的请求设置,请求过程中要处理的各项配置;
  • Upstream:代理转发的下个目的地列表,后端服务组地址列表,连接与负载均衡的设定。
  • Server:从 Nginx 到 Service 的设置,通常对应前后端某种服务或组;限制设定,代理设定,错误机制等。
  • Location:路由匹配转发通讯,重定向等。

配置模板示例

###### 全局块
worker_processes    auto;                   # 工作进程数
error_log  /var/log/nginx/error.log notice; # 错误级别记录

events {
    worker_connections  1024;               # 单个工作进程,可承载的最大连接数
}

http {
    ###### MIME 配置
    include       /etc/nginx/mime.types;    # 文件扩展名与文件类型映射表
    default_type  application/octet-stream; # mime.types 不包含时的默认设置
    
    ###### 请求日志配置
    log_format  log-format-a  '$remote_addr - $remote_user [$time_local] "$request" $status $body_bytes_sent "$http_referer" "$http_user_agent" "$http_x_forwarded_for"';
    access_log  /var/log/nginx/access.log  log-format-a;    # 访问日志路径 及引用格式
    
    ###### 后端可用服务配置
    upstream backend-server-name {
        server 192.168.1.101:80;
        server 192.168.1.102:80;
    }
    
    server {
        ###### 请求匹配
        listen       80;                 # 客户端请求的端口
        server_name  _;                  # 客户端请求的域名;区分不同服务(可多个空格区分,支持正则)
        
        location / {
            ###### 重写配置
            rewrite ^<规则>$ <目的地> break;
            
            ###### 转发到后端配置
            proxy_pass http://backend-server-name$request_uri;    # 转发到后台服务地址,来自于 upstream 项
            proxy_http_version 1.1;                               # 指明版本(1.1默认为keep-alive长连接,1.0默认为短连接)
            proxy_set_header Host $host;                          # 保持原来的请求域名
            proxy_ignore_client_abort on;                         # 客户端断网时,是否中断对后端的请求
            proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;
            proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for; # 从远程客户端IP到服务端的层层代理转发IP,多IP追加空格分隔
            
            ###### Cookie 域名/路径
            proxy_cookie_domain {backend-domain} {request-domain};
            proxy_cookie_path {backend-path} {request-path};
        }
        
        ###### 指定文件拒绝所有访问
        location ~ ^/(\.user.ini|\.ht|\.git|\.svn|\.project|LICENSE|README.md){
            deny all;
        }
        
        ###### 限制的客户端
        location \ {
            deny 172.18.0.101;    # 拒绝的ip
            allow 172.18.1.10;    # 允许的ip
        }
        
        ###### 客户端缓存配置
        location ~* \.(js|css|jpg|svg|gif|png)$ {
            if (-f $request_filename) {    # -f:只能是文件,因为这用-f判断了
                expires 30d;               # 缓存有效时长 30 天
                break;
            }
        }
        
        ###### 防盗链配置
        location ~* \.(gif|jpg|png|bmp)$ {  # 指定格式禁止的请求来源:google/baidu
            valid_referers none blocked *.ttlsa.com server_names ~\.google\. ~\.baidu\.;
            if ($invalid_referer) {
                return 403;                 # 状态码
                #rewrite ^/ http://www.ttlsa.com/403.jpg;
            }
        }
        
        ###### (前端) 错误机制
        error_page  404              /404.html;    # 错误码 转向的 错误页
        error_page  500 502 503 504  /50x.html;    # 错误码 转向的 错误页
        location = /50x.html {                     # 错误页 指向的 静态页面
            root   /usr/share/nginx/html;
        }
    }
}

2.4 前后端分离

把前端站点部署到 Nginx:

server {
    listen 80;
    server_name xxx.com;
    
    # 前端配置
    location / {
        # 前端站点路径
        root /home/vue/dist;
        index index.html
    }
    
    # 后端配置
    location /api {
        proxy_set_header host $HOST;
        proxy_pass http://192.168.1.101:8081;
    }
}

2.5 负载均衡模式

在配置项 upstream 中,负责提供可用的服务地址列表,并可指定负载均衡的实现方式。

轮询 Round-Robin:将访问按序依次请求到后端各个服务器上,能确保平均负载

upstream backend-a {
    server 192.168.1.101:80;
    server 192.168.1.102:80;
}

 权重 Weight:按百分比请求到后端服务器上,常用到硬件配置不同的场景

upstream backend-b {
    server 192.168.1.101:80 weight=3;
    server 192.168.1.102:80 weight=7;
}

 最少连接 Least-Connect:处理请求少的后端服务优先接收新请求

upstream backend-c {
    least_conn;
    server 192.168.1.101:80;
    server 192.168.1.102:80;
}

IP-Hash:相同的访问IP落到后端同个服务器上,所以支持会话保持,但不是绝对平均负载

upstream backend-d {
    ip_hash;
    server 192.168.1.101:80;
    server 192.168.1.102:80;
}

第三方的会话保持 sticky_cookie_insert,同时支持负载均衡。

2.6 限流与熔断

限流:通过对并发/请求进行限速来保护系统,防止系统过载瘫痪而不能提供服务;为了更好控制整个系统的负载情况,即使阻止了某些请求,系统继续提供服务。

http_limit_conn:单个IP同时允许的连接限制

http {
    
    # 连接限流定义
    # - $binary_remote_addr:限制对象(客户端)
    # - zone:限制自定义名称
    # - 10:内存中用10兆空间存储连接记录
    limit_conn_zone $binary_remote_addr zone={limits-name}:10m;
                
    server {
        location /search/ {
            
            # 单个IP同时允许建立多少连接(并发限制)
            limit_conn {limits-name} 1;
        }
    }
}

http_limit_req:单个IP请求频率的限制;次/每秒;

http {
    # 请求限流定义
    # - $binary_remote_addr:限制对象(客户端)
    # - zone:定义限制(策略)名称
    # - 10m:用十兆空间记录访问次数
    # - rate:每秒10次的请求处理速率
    limit_req_zone $binary_remote_addr zone={limits-name}:10m rate=1r/s;
    # 请求限流定义
    # - $server_name:限制对象,对指定服务器请求的限制
    limit_req_zone $server_name zone={limits-name}:10m rate=10r/s;
                
    server {
        location /search/ {
            # 引用以上定义的限流策略,做以下设定(漏桶方式)
            # - burst:最多接收5个排队用户IP,处于等待处理状态(容量)
            # - nodelay:超出排队之外的更多请求,拒绝并返回503(溢出)
            limit_req zone={limits-name} [burst=5] [nodelay];
        }
    }
}

http_limit_rate:向客户端传输响应的速率限制;字节/每秒/每连接;0不限制

http {   
    server {
        location /download/ {
            
            # 带宽限制
            limit_rate_after 5m; # 初始限速5m
            limit_rate 500k;     # 超出后限速500k
        }
    }
}

熔断:当后端服务发生指定频率错误后,Nginx触发熔断措施,不再请求此后端服务,直接返回默认内容到用户端。

upstream http_backend {
    # 10s内出现3次错误,该服务器将被视为不可用(熔断)
    server 192.168.1.101:8080 max_fails=3 fail_timeout=10s;
    server 192.168.1.102:8080 max_fails=3 fail_timeout=10s;
}

当然也有容错机制,Nginx 默认自动转向其它服务再请求,相关配置:proxy_next_upstream

不成文的内存使用计算公式

给 Nginx 预备多大的内存,随着参数的调整而变化,特定缓存排除在外;
预估 Nginx 内存使用计算公式:worker_processes * worker_connections / 1000 = G

三、性能优化

3.1 全局优化

# 工作进程数
worker_processes auto;           # 建议 CPU核心数|CPU线程数

# 最大支持的连接(open-file)数量;最大值受限于 Linux open files (ulimit -n)
# 建议公式:worker_rlimit_nofile > worker_processes * worker_connections
worker_rlimit_nofile    65535;

events {
    use epoll;                   # 高效的IO多路复用(RedHat6+ 都支持 epoll)
    multi_accept on;             # 设置一个进程是否同时接受多个网络连接
    worker_connections  10240;   # 单个工作进程,可承载的最大连接数;
}

3.2 与客户端之间的优化

http {
    
    ###### 零拷贝技术
    sendfile on;            # 开启不读到(应用本身)内存,直接通过系统发出数据
    #sendfile_max_chunk 2m; # 每个进程每次调用传输数量不能大于设定的值,默认0为无上限。
    
    ###### 网络传输
    # on:累积到一定容量的数据再发,发送次数少
    # off:有数据就发,发送次数多,占用网络资源
    tcp_nopush on;
    
    ###### 长连接;用户端比较分散,keepalive 默认值已经足够,个人不建议重设
    
    ###### 响应数据 开启压缩模式
    gzip on;
    gzip_vary on;                                # 为兼容老浏览器,追加到Header的压缩标注
    gzip_proxied any;                            # 所有代理请求都压缩,也可指定类型
    gzip_comp_level 2;                           # 压缩等级1-9(比例)等级越大 压缩越高 越耗CPU
    gzip_min_length 128;                         # 压缩前提,当返回内容大于指定时再压缩
    gzip_types text/css text/xml image/svg+xml;  # 指定压缩的文件类型;更多压缩项可参考 mime.types
}

3.3 与后端服务之间的优化

http {
    upstream backend_A {
        # ...
        
        # 长连接;所有请求汇聚到后端服务器,并发时是有必要在此基础上重配 keepalive 的
        # 以下 keepalive 需要 http 1.1 版本,并且 header connection close
        keepalive 100;           # 每个Worker与后端的连接池中,保持指定量的空闲连接数(QPS的10%)
        keepalive_time 1h;       # 每个长连接的(忙碌+空闲)总时长,超出后强制失效
        keepalive_timeout 60s;   # 每个长连接,最大空闲时长,超出后自动关闭长连接
        keepalive_requests 1000; # 每次长连接支持的 Request 次数,超出后自动关闭
    }
    
    server {
        location \ {
            proxy_pass http://backend_A;
            proxy_http_version 1.1;            # 1.1 支持 keep-live
            proxy_set_header connection "";    # 覆盖客户端的连接头
        }
    }
}

3.4 扩展优化

多级缓存:通过 Nginx 实现各种缓存的配置,浏览器缓存、CDN缓存、Nginx内存、代理缓存、后端服务应用缓存等。

资源静态化 ssi 模块:请求结果生成静态页,Nginx设置拦截,更多的请求直接读静态页后返回;减少后端请求,定时生成静态页。

静态资源同步 rsync:每台服务都安装,监控目录变化,把生成的静态页推送到多台服务器。

合并请求 concat 第三方模块:将多个静态资源文件 合并为一次请求加载完成,减少并发量;淘宝示例:??xxx.js,yyy.js,zzz.js

四、动态负载

自动更新 upstream 上的可用服务地址,Nginx 的商业版才提供,开源的可去选择第三方模块;这里后端集群管理用的是 Consul;所以这里使用 Consul 提供的配套工具 Consul-Template。
当后端集群 consul 上的应用服务有变动时,工具 consul-template 负责拉取 consul 最新的健康应用服务列表,并生成 nginx conf,最主要的是更新了 nginx upstream 中的可用服务地址,最后再重载 Nginx。

1、下载部署 consul-template

# 从官网 https://releases.hashicorp.com/consul-template/ 下载软件包
curl -O https://releases.hashicorp.com/consul-template/0.31.0/consul-template_0.31.0_linux_amd64.zip
unzip consul-template_0.31.0_linux_amd64.zip consul-template # unzip解压软件包并重命名
mv consul-template /usr/local/bin/                           # 移动到特定目录
/usr/local/bin/consul-template -v                            # 验证安装效果,显示版本号

2、创建生成 nginx conf 的模板文件 ngx-server-conf.tmp,用于生成指定格式的 nginx.conf 文件;内容示例如下:

为便于集中管理配置文件,存放于 nginx 默认的配置目录下 /etc/nginx/conf.d/ngx-server-conf.tmp

########## 自动生成多个 upstream
{{range services}} {{$name := .Name}} {{$service := service .Name}}
upstream {{$name}} {
        least_conn;
        {{range $service}}server {{.Address}}:{{.Port}};
        {{else}}server 127.0.0.1:65535; # force a 502{{end}}
} {{end}}
########## upstream end ##########

server {
        listen 80;
        server_name xxx.com;
        location / {
                root /usr/share/nginx/html/;
                index index.html;
        }

        ########## 自动生成多个 locattion
{{range services}} {{$name := .Name}}
        location /api/{{$name}} {
                proxy_pass http://{{$name}};
                proxy_http_version 1.1;
        }
{{end}} ########## location end ##########
}

更多的模板文件语法可参考官网说明:consul-template templating language

3、创建 consul-template 的配置文件 ctmp.hcl,用以设定运行参数。内容示例如下:

为便于集中管理配置文件,存放于 nginx 容器内的默认配置目录下 /etc/nginx/conf.d/ctmp.hcl

# 连接 consul 的配置
consul {
    address = "172.18.0.3:8500"    # consul node
}

# 生成 nginx config file 的配置
template {
    source = "/etc/nginx/conf.d/ngx-server-conf.tmp"   # consul-template 的配置模板文件
    destination = "/etc/nginx/conf.d/default.conf"     # 生成的 nginx-server 配置文件
    command = ["nginx", "-s", "reload"]                # 执行的命令,以重载 Nginx 配置
}
# 总结步骤:从 address 拉数据,通过格式 source 生成 destination 配置,最后 command 重载Nginx。

以上更多的配置项参考官网说明:consul-template configuration options

4、启动运行 consul-template

# 指定配置文件 启动 consul-template
/usr/local/bin/consul-template -config /etc/nginx/conf.d/ctmp.hcl
# 验证效果:可查看生成的 nginx conf
cat /etc/nginx/conf.d/default.conf

效果:查看当前 nginx default.conf;之后停掉后端一个应用服务,对比 nginx 前后两个 default.conf 的内容变化。

五、高可用

高可用 - 双机热备:主机和从机通过TCP/IP网络连接,正常情况下主机处于工作状态,从机处于监视状态,一旦从机发现主机异常,从机将会在很短的时间之内代替主机,完全实现主机的功能。

工具 Keepalived,安装到内网中每个装有 Nginx 的系统上:
多个 Keepalived 实例形成一个组,组成员有 Master/slave 之分,时时监控组内所有 Keepalived 实例的运行情况;
Keepalived 通过一个虚拟IP加入到 Master 网卡上,所以通过虚拟IP能够直接连接到 Master上,也就是其中一个 Nginx;
一个 Keepalived 成员宕机后,从 Slave 中选举出新的 Master,也就是把虚拟IP自动加入到新的 Master上,持续提供服务;
对外仅通过内网的虚拟IP完成与 Nginx 的连接,而不关心使用的 Nginx 在哪台机上。

Keepalived 官网

5.1 配置运行 Keepalived

安装 Keepalived:yum install -y keepalived
配置文件:/etc/keepalived/keepalived.conf
配置模板:可仅留 global_defs,vrrp_instance,virtual_ipaddress

global_defs {
    router_id <key>           # 同组不重复的唯一标识
}

vrrp_instance <Instance-Name> {
    state MASTER              # MASTER/BACKUP;有主优先运行
    interface <net-card-name> # 指定虚拟IP寄存的网卡
    priority 100              # 相同角色的优先级,越大越优先
    advert_int 1              # 间隔秒检测一次成员的运行状况
    
    authentication {          # 成员间的通讯凭证
        auth_type PASS        # 同组相同的方式
        auth_pass 1111        # 同组相同的编码,保持成员互通
    }
    
    virtual_ipaddress {       # 追加新IP,对外提供的通讯入口
        192.168.17.200        # 同网段的、未被使用的、虚拟新IP
    }
}

启动后,可在 Master 中的指定网卡中看到已追加的虚拟IP;不妨 ping 下你的虚拟IP...
再配置一台 Keepalived,注意这里配置的不同项为:router_id / state / priority

浏览器中访问虚拟IP,就直接访问了 Master 上的 Nginx;
关掉Master服务器后,Keepalived 将虚拟IP又添加到了备用服务器上了;
虚拟IP继续提供正常的 Nginx 服务,浏览器正常访问虚拟IP地址;
当 Master 修复启动后,Keepalived 又将虚拟IP自动切换到 Master 上,始终以 Master 优先使用

注意

Keepalived 仅检测自己主进程的运行状况,并不是检测 Nginx 的运行状况;
所以:当 Nginx 错误,而 Keepalived 运行正常时,并不能达到 Master 转移的效果;
方案:用脚本定时检测 Nginx 的主进程,Nginx发生错误时主动 Kill Keepalived,达到 Master 转移的效果。

5.2 脚本检测 Nginx 服务

创建检测脚本文件 /etc/keepalived/check_nginx.sh 内容示例:

#!/bin/bash
# 检测 Nginx worker process 运行的个数
ckn=$(ps -C nginx --no-heading | wc -l)
# 当没有 Nginx worker process 运行时
# 制造keepalived异常,使得启用备用服务器
if [ $ckn -eq 0 ]; then
        killall -9 keepalived
fi

并赋予用户可执行权限;如:chmod +x /etc/keepalived/check_nginx.sh

Keepalived 脚本定时检测配置内容示例:

# global_defs ...

vrrp_script check_nginx_status {             ### 定义检测策略
    user root                                # 负责检测的用户
    interval 1                               # 检测间隔秒
    script /etc/keepalived/check_nginx.sh    # 检测的可执行文件
}

vrrp_instance <Instance-Name> {
    # ...
    track_script {
        check_nginx_status                   # 引用检测策略
    }
    # ...
}

在 Master 上停止 Nginx 运行 试试看...????

以上是一个联动停止运行的方案,那是不是需要一个联动启动也更为方便,自行考量...

原文链接:https://www.cnblogs.com/Sol-wang/p/17370377.html

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