Nginx反向代理与负载均衡：节点服务器单/多虚拟机配置+实验环境搭建+原理解析
0.说明
常见的集群架构及相关软件，可以参考下面的导图：
互联网企业常用的是负载均衡集群和高可用性集群，负载均衡集群强调“分担”，通过一定的调度算法 ，可以实现用多个节点服务器来分担用户的访问请求和数据流量；高可用性集群强调“高可用”，即一个节点失效了，它的任务可以立刻转移到另一个备份的节点上（即一般通过设置主备来实现）。显然因为负载均衡集群使用多个节点来分担服务，即使其中一个节点失效了，其它节点也可以继续工作，因此它也具有高可用性。
下面介绍的是Nginx负载均衡的配置，同时也给出了实验环境。
1.实验环境说明
本次实验的测试环境使用的宿主机操作系统为Windows 7，在Vmware虚拟机安装CentOS 6.5（3台），说明如下：
| 主机类型 | 操作系统 | IP地址 | 作用 |
| 宿主机 | Windows 7 | 10.0.0.1/24 （VMnet8的IP地址） |
远程3台虚拟机，进行配置，同时也作为后面测试使用的客户端 |
| 虚拟机1: lb01 | CentOS 6.5 | 10.0.0.7/24 | 负载均衡服务器lb01，将请求分担到Web节点服务器中 |
| 虚拟机2: web01 | CentOS 6.5 | 10.0.0.9/24 | Web节点服务器web01 |
| 虚拟机3: web02 | CentOS 6.5 | 10.0.0.10/24 | Web节点服务器web02 |
而当使用NAT的方式进行上网时虚拟机、宿主机之间的网络连接关系可如下所示：
关于为什么网络拓扑结构是这样的，这里不展开说明，可以参考博主的另一篇博文《在实践中深入理解VMware虚拟机的上网模式NAT模式》，这篇文章深入地分析了VMware虚拟机使用NAT模式上网时的网络结构细节，相信看完这篇文章后，这里搭建Nginx的实验环境也就很容易理解了。
所以首先，应该是自己先配置好网络环境，让宿主机跟我们的虚拟机可以通信，实际上，如果理解了VMware虚拟机上网方式的原理，同时对CentOS的网络配置也很熟悉，这一步是可以很轻松完成的，这里就不给出过程了，这里所用的IP地址跟上面的图示是一样的。
这里，对于Nginx的负载均衡，希望达到的效果逻辑如下：
当用户访问我们的Web Server时，实际上请求是先到达Nginx负载均衡器，这就是一个反向代理的过程了，然后Nginx负载均衡器再将请求按照一定的调度算法分发给相应的节点服务器。
在整个实验环境中，我们假定web01和web02提供bbs.xpleaf.org的网站内容服务，Nginx在web01和web02前面作为反向代理服务器与负载均衡服务器，当用户访问bbs.xpleaf.org时，Nginx负载均衡器会把请求分发到web01和web02节点服务器上，由节点服务器返回实际的内容数据。
2.配置与测试实战：节点服务器单虚拟机场景
这里使用的Nginx的版本为：1.6.3，关于Nginx的安装与基本配置，这里不再做说明，可以参考博主前面关于Nginx的博文，同样也是给出了详细的实验环境，可以去实践一下。
下面在每台web服务器上，我们只配置了一个虚拟机，即bbs.xpleaf.org。
（1）web01配置与测试
web01作为节点服务器，配置它的虚拟机域名为bbs.xpleaf.org
[root@web01 conf]# cat nginx.conf
worker_processes 1;
events {
worker_connections 1024;
}
http {
include mime.types;
default_type application/octet-stream;
sendfile on;
keepalive_timeout 65;
log_format main '$remote_addr - $remote_user [$time_local] "$request" '
'$status $body_bytes_sent "$http_referer" '
'"$http_user_agent" "$http_x_forwarded_for"';
server {
listen 80;
server_name bbs.xpleaf.org;
location / {
root html/bbs;
index index.html index.htm;
}
access_log logs/access_bbs.log main;
}
}
添加相应的站点目录和内容
[root@web01 conf]# cd ../html/bbs/ [root@web01 bbs]# echo "bbs.xpleaf.org node1 10.0.0.9">index.html [root@web01 bbs]# cat index.html bbs.xpleaf.org node1 10.0.0.9
配置hosts解析
[root@web01 bbs]# echo "127.0.0.1 bbs.xpleaf.org">>/etc/hosts [root@web01 bbs]# tail -1 /etc/hosts 127.0.0.1 bbs.xpleaf.org
检查配置文件与启动
[root@web01 bbs]# /application/nginx/sbin/nginx -t nginx: the configuration file /application/nginx-1.6.3//conf/nginx.conf syntax is ok nginx: configuration file /application/nginx-1.6.3//conf/nginx.conf test is successful [root@web01 bbs]# /application/nginx/sbin/nginx -s reload
本机上进行测试
[root@web01 bbs]# curl bbs.xpleaf.org bbs.xpleaf.org node1 10.0.0.9
（2）web02配置与测试
web02作为节点服务器，配置它的虚拟机域名为bbs.xpleaf.org
[root@web02 conf]# cat nginx.conf
worker_processes 1;
events {
worker_connections 1024;
}
http {
include mime.types;
default_type application/octet-stream;
sendfile on;
keepalive_timeout 65;
log_format main '$remote_addr - $remote_user [$time_local] "$request" '
'$status $body_bytes_sent "$http_referer" '
'"$http_user_agent" "$http_x_forwarded_for"';
server {
listen 80;
server_name bbs.xpleaf.org;
location / {
root html/bbs;
index index.html index.htm;
}
access_log logs/access_bbs.log main;
}
}
添加相应的站点目录和内容
[root@web01 conf]# cd ../html/bbs/ [root@web01 bbs]# echo "bbs.xpleaf.org node2 10.0.0.10">index.html [root@web01 bbs]# cat index.html bbs.xpleaf.org node2 10.0.0.10
配置hosts解析
[root@web01 bbs]# echo "127.0.0.1 bbs.xpleaf.org">>/etc/hosts [root@web01 bbs]# tail -1 /etc/hosts 127.0.0.1 bbs.xpleaf.org
检查配置文件与启动
[root@web01 bbs]# /application/nginx/sbin/nginx -t nginx: the configuration file /application/nginx-1.6.3//conf/nginx.conf syntax is ok nginx: configuration file /application/nginx-1.6.3//conf/nginx.conf test is successful [root@web01 bbs]# /application/nginx/sbin/nginx -s reload
本机上进行测试
[root@web02 bbs]# curl bbs.xpleaf.org bbs.xpleaf.org node2 10.0.0.10
（3）lb01配置
配置文件内容
[root@lb01 conf]# cat nginx.conf
worker_processes 1;
events {
worker_connections 1024;
}
http {
include mime.types;
default_type application/octet-stream;
sendfile on;
keepalive_timeout 65;
upstream bbs_server_pools {
server 10.0.0.9:80 weight=1;
server 10.0.0.10:80 weight=1;
}
server {
listen 80;
server_name bbs.xpleaf.org;
location / {
proxy_pass http://bbs_server_pools;
}
}
}
配置hosts解析
[root@web01 bbs]# echo "127.0.0.1 bbs.xpleaf.org">>/etc/hosts [root@web01 bbs]# tail -1 /etc/hosts 127.0.0.1 bbs.xpleaf.org
检查配置文件与启动
[root@web01 bbs]# /application/nginx/sbin/nginx -t nginx: the configuration file /application/nginx-1.6.3//conf/nginx.conf syntax is ok nginx: configuration file /application/nginx-1.6.3//conf/nginx.conf test is successful [root@web01 bbs]# /application/nginx/sbin/nginx -s reload
（4）Nginx负载均衡效果测试
可以通过命令行的方式在lb01上进行测试，如下：
[root@lb01 conf]# curl bbs.xpleaf.org bbs.xpleaf.org node1 10.0.0.9 [root@lb01 conf]# curl bbs.xpleaf.org bbs.xpleaf.org node2 10.0.0.10 [root@lb01 conf]# curl bbs.xpleaf.org bbs.xpleaf.org node1 10.0.0.9 [root@lb01 conf]# curl bbs.xpleaf.org bbs.xpleaf.org node2 10.0.0.10 [root@lb01 conf]# curl bbs.xpleaf.org bbs.xpleaf.org node1 10.0.0.9 [root@lb01 conf]# curl bbs.xpleaf.org bbs.xpleaf.org node2 10.0.0.10
通过上面的测试可以知道，访问请求都被分担到两台节点服务器上，也可以通过在windows 7的浏览器上输入地址来进行测试（需要先把"127.0.0.1 bbs.xpleaf.org"添加到windows 7的hosts文件中）：
3.进阶1：记录访问用户的实际IP地址
（1）原理
上面我们通过windows 7进行访问时，查看web服务器的日志：
[root@web01 bbs]# tail -2 /application/nginx/logs/access_bbs.log 10.0.0.7 - - [04/Mar/2017:11:33:00 +0800] "GET / HTTP/1.0" 200 30 "-" "Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1; WOW64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/56.0.2924.87 Safari/537.36" "-" 10.0.0.7 - - [04/Mar/2017:11:33:29 +0800] "GET / HTTP/1.0" 304 0 "-" "Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1;
因为在配置web服务器节点时，配置的日志格式是这样的：
log_format main '$remote_addr - $remote_user [$time_local] "$request" ' '$status $body_bytes_sent "$http_referer" ' '"$http_user_agent" "$http_x_forwarded_for"';
所以前面日志的第一个字段用来记录Nginx均衡服务器的地址，这没有问题，但是最后一个字段是'-'，也就是没有记录，该字段是用来记录用户的实际IP的。
（2）配置Nginx携带用户实际IP
为了能够让web服务器记录用户的实际IP，需要在Nginx负载均衡服务器上做如下配置：
[root@lb01 conf]# cat nginx.conf
worker_processes 1;
events {
worker_connections 1024;
}
http {
include mime.types;
default_type application/octet-stream;
sendfile on;
keepalive_timeout 65;
upstream bbs_server_pools { # 定义节点资源池
server 10.0.0.9:80 weight=1;
server 10.0.0.10:80 weight=1;
}
server {
listen 80;
server_name bbs.xpleaf.org;
location / {
proxy_pass http://bbs_server_pools; # 把请求转发到节点资源池中指定的主机中
proxy_set_header X-Forwarded-For $remote_addr;
}
}
}
实际上就是多加了最后一行。
（3）测试
这时再用windows 7去访问bbs.xpleaf.org，然后在web服务器上查看日志信息：
[root@web01 bbs]# tail -2 /application/nginx/logs/access_bbs.log 10.0.0.7 - - [04/Mar/2017:11:49:10 +0800] "GET / HTTP/1.0" 200 30 "-" "Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1; WOW64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/56.0.2924.87 Safari/537.36" "10.0.0.1" 10.0.0.7 - - [04/Mar/2017:11:49:11 +0800] "GET / HTTP/1.0" 200 30 "-" "Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1; WOW64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/56.0.2924.87 Safari/537.36" "10.0.0.1"
可以看到日志的最后一个字段就记录了客户端的真实IP地址。
4.进阶2：节点服务器多虚拟机场景
前面在每台web服务器上，只配置了一个站点bbs.xpleaf.org，所以上面的负载均衡是没有问题，但是如果再配置一个站点blog.xpleaf.org（即在bbs.xpleaf.org后面再增加一个server域），当去测试时就会发现，无论是访问bbs.xpleaf.org，还是访问blog.xpleaf.org，返回的内容都是站点bbs.xpleaf.org的内容。
究其原因是当用户访问域名时确实是携带了blog.xpleaf.org主机头请求Nginx反向代理服务器，但是是反向代理服务器向下面节点重新发起请求时，默认并没有在请求头里告诉节点服务器要找哪台虚拟主机，所以web节点服务器接收到请求后发现没有主机头信息，因此，就把节点服务器的第一个 虚拟机发给了反向代理。
解决方法是，当反向代理向后重新发起请求时，要携带主机头信息，以明确告诉节点服务器要找哪个虚拟机。只需要在Nginx负载均衡服务器上增加下面一行配置：
proxy_set_header Host $host;
此时配置文件内容如下：
[root@lb01 conf]# cat nginx.conf
worker_processes 1;
events {
worker_connections 1024;
}
http {
include mime.types;
default_type application/octet-stream;
sendfile on;
keepalive_timeout 65;
upstream bbs_server_pools {
server 10.0.0.9:80 weight=1;
server 10.0.0.10:80 weight=1;
}
server {
listen 80;
server_name bbs.xpleaf.org;
location / {
proxy_pass http://bbs_server_pools;
proxy_set_header X-Forwarded-For $remote_addr;
proxy_set_header Host $host;
}
}
}
由于原理比较简单，这里就不给出完整过程了，可以参考老男孩老师的书籍。
5.进阶3：根据URL中的目录地址实现代理转发
根据HTTP的URL进行转发的应用情况，被称为第7层（应用层）的负载均衡，而LVS的负载均衡一般用于TCP等的转发，因此被称为第4层转发（传输层）的负载均衡。
在上面的案例中，如果需要实现一个需求，希望bbs.xpleaf.org可以使用bbs.xpleaf.org/upload来提供上传服务，而bbs.xpleaf.org则保持默认提供网站的主页内容，这时就可以使用Nginx基于URL来实现代理转发了。
可以把lb01的Nginx配置修改为如下：
[root@lb01 conf]# cat nginx.conf
worker_processes 1;
events {
worker_connections 1024;
}
http {
include mime.types;
default_type application/octet-stream;
sendfile on;
keepalive_timeout 65;
upstream bbs_server_pools {
server 10.0.0.9:80 weight=1;
}
upstream bbs_upload_server_pools {
server 10.0.0.10:80 weight=1;
}
server {
listen 80;
server_name bbs.xpleaf.org;
location / {
proxy_pass http://bbs_server_pools;
}
location /static {
proxy_pass http://bbs_upload_server_pools;
}
}
}
这样，实际上就相当于bbs.xpleaf.org提供了两种不同的业务，一种是普通的bbs论坛内容业务，另外一种则是上传业务，上面我们定义了两个地址池，在每个地址池中，如果有多台节点服务器，就可以根据upstream的相关调度算法来实现不同业务的负载均衡了，总结来说就是，只使用一个域名对外提供服务，同时该域名对外提供不同的产品业务。
当然，基于这种思想，通过location的正则匹配，可以根据用户不同的浏览器版本来访问不同的服务器群、根据设备的不同类型来访问不同的服务器群（PC端和移动端）、根据文件扩展名来访问不同的服务器群（实现动静分离），从而可以提升用户的体验。相关案例可以参考老男孩老师的书籍。
6.原理解析：http proxy模块和upstream模块
Nginx的反向代理功能和负载均衡功能是通过http proxy模块和upstream模块来实现的：
| Nginx http功能模块 | 模块说明 |
| ngx_http_proxy_module | proxy代理模块，用于把请求后抛给服务器节点或upstream服务器池 |
| ngx_http_upstream_module | 负载均衡模块，可以实现网站的负载均衡功能及节点的健康检查 |
（1）http proxy模块
配置方法可以参考上面的案例，实际上还有很多参数可以使用，这里不详细给出。
（2）upstream模块
主要介绍一下upstream模块在实现负载均衡功能时的调度算法，其实关于upstream的调度算法，如果学习过QoS，看起来就会觉得很熟悉了。
静态调度算法：负载均衡器根据自身设定的规则进行分配，不需要考虑后端节点服务器的情况
主要有rr、wrr、ip_hash （1）rr轮询 如果节点服务器不宕机，请求将会平均分发到各节点服务器上； （2）wrr权重轮询 按照设置的weight权重，将请示按比例分发到各节点服务器上； （3）ip_hash 按照客户端IP的hash结果分配； 可以解决动态网页的session共享问题（会话保持），但无法保证1：1的负载均衡；
动态调度算法：负载均衡器会根据后端节点的当前状态来决定是否分发请求
主要有fair、least_conn、url_hash、一致性hash算法 （1）fair 根据后端节点服务器的响应时间来分配请求，响应时间短的优先分配； Nginx本身不支持该算法，需要下载相关模块upstream_fair； （2）least_conn 根据后端节点的连接数来决定分配情况，哪个机器连接数少就分发； （3）url_hash（第三方调度算法） 与ip_hash类似，根据访问URL来分配请求，让每个URL定向到同一个后端服务器； 后端服务器为缓存服务器时效果显著； （4）一致性hash算法（第三方调度算法） 比较复杂，这里不做介绍。
7.下一步做什么
首先当然是要能够把Nginx负载均衡的环境搭建出来，否则是没有办法继续往下面学习的，然后就是继续加深Nginx负载均衡的理解，同时也在实际场景中多分析和尝试使用。
8.参考资料
《跟老男孩学Linux运维：Web集群实战》
