2025年01月10日玄貓（BlackCat）

NGINX 負載平衡策略與效能最佳化實務

本文探討 NGINX 負載平衡的實作與效能最佳化技巧，涵蓋 DNS 負載平衡的限制、Session Affinity 的重要性、NGINX upstream 模組的組態、TCP/UDP 負載平衡的 Stream 模組應用、執行緒池的設定與最佳化，以及結合 Docker 容器化佈署的策略。

Web 開發系統設計

NGINX 負載平衡 Session Affinity Stream 模組執行緒池 Docker

現代網路應用仰賴負載平衡機制確保系統穩定性和效能。本文從 DNS 負載平衡的基礎概念出發，逐步深入 NGINX 負載平衡的實務操作與效能調校。DNS 負載平衡雖然易於實作，但缺乏彈性且難以處理伺服器狀態變化，尤其在高流量情境下容易遭遇瓶頸。Session Affinity 技術確保使用者請求能持續由同一伺服器處理，對於需要維護狀態的應用至關重要，例如電商平台的購物車功能。NGINX 的 upstream 模組提供更進階的負載平衡策略，可根據權重、連線數等條件分配流量，並能有效處理伺服器容錯移轉。Stream 模組則擴充套件了 NGINX 的能力，使其能作為 TCP/UDP 負載平衡器，適用於資料函式庫、遊戲伺服器等場景。為提升 I/O 效能，NGINX 的執行緒池機制能將檔案讀取操作非同步化，避免工作程式阻塞，搭配 sendfile 和 directio 等指令更能有效減少系統開銷。最後，本文也探討瞭如何利用 Docker 容器化技術簡化 NGINX 的佈署與管理，並結合雲端基礎設施實作更彈性、可擴充套件的負載平衡架構。

負載平衡器概述

負載平衡器在現代網路架構中扮演著關鍵角色，它能夠有效地分散來自使用者的請求，確保各個伺服器的負載平衡，從而提升系統的穩定性和效能。玄貓將帶領大家探討負載平衡器的基本概念、實作方法以及常見問題及解決方案。

簡單的DNS負載平衡

DNS（網域名稱系統）負載平衡是最簡單的一種負載平衡方法。這種方法透過在DNS伺服器上組態多個IP地址，當使用者存取網站時，DNS伺服器會隨機傳回一個IP地址，從而將請求分散到不同的伺服器上。這種方法雖然簡單，但並不適合高流量網站，因為它存在一些主要問題：

可能的問題與挑戰

伺服器暫時不可用：如果使用者選擇的IP地址所指向的伺服器暫時不可用，則會導致請求失敗。
伺服器型別不一：如果架構中包含多種型別的伺服器，有些伺服器能夠處理更多請求，而其他則不能，這會導致資源分配不均。
Session Affinity問題：當使用者在一個伺服器上登入後，如果被轉移到另一個伺服器，則會丟失所有會話資料，包括購物車內容和登入憑證。

Session Affinity

Session Affinity是指在負載平衡架構中將客戶持續分配到特定伺服器的技術。這意味著在整個會話期間，使用者都應該保持與同一個伺服器的連線。這對於需要保持狀態的應用程式（例如電子商務網站）尤為重要。

Session Affinity的重要性

在電子商務網站中，使用者通常會在多個頁面之間進行操作，例如登入、新增商品到購物車、結帳等。這些操作都需要儲存狀態資訊。如果使用者在一次會話中切換了伺服器，他們將丟失所有會話資料，例如購物車內容和登入憑證。

以下是Session Affinity的一個示例：

此圖示展示了當使用者在一次會話中切換伺服器時可能發生的情況：從Server A切換到Server B後，使用者將丟失所有會話資料。

NGINX 的 upstream 模組

NGINX 是一款功能強大且靈活的Web伺服器和反向代理伺服器。它提供了多種負載平衡策略，並且可以應對前面提到的一些常見問題。NGINX 的 upstream 模組允許你在不同層級的基礎設施上分發負載。

如何使用 upstream 模組

首先，我們需要在 http 塊內宣告一組伺服器：

http {
    upstream MyUpstream {
        server 10.0.0.201;
        server 10.0.0.202;
        server 10.0.0.203;
    }
}

或者我們可以使用 include 指令從外部檔案載入伺服器：

http {
    upstream MyUpstream {
        include myUpstreamServers.txt;
    }
}

接下來我們可以在虛擬主機組態中參照這組伺服器：

server {
    server_name example.com;
    listen 80;
    root /home/example.com/www;

    # 將所有請求代理到 MyUpstream 組
    proxy_pass http://MyUpstream;
}

負載分配機制

NGINX 提供了多種負載分配機制來解決前面提到的一些問題。其中最簡單的一種是 weight 標記：

upstream MyUpstream {
    server 10.0.0.201 weight=3;
    server 10.0.0.202 weight=2;
    server 10.0.0.203;
}

在這個例子中，每6個HTTP請求將被分配如下：

三個請求分配給 10.0.0.201（權重=3）
二個請求分配給 10.0.0.202（權重=2）
一個請求分配給 10.0.0.203（權重=1）

其他標記

NGINX 還提供了其他標記來控制負載分配機制：

fail_timeout=N：N 是請求超時之前等待的秒數。
max_fails=N：N 是在切換到下一台伺服器之前對同一台伺服器嘗試的次數。
max_conns=N：N 是該伺服器可同時處理的最大連線數。
backup：標記該伺服器為備份伺服器，僅在其他伺服器失敗時使用。
down：標記該伺服器為永久不可用。

內容解密：

此段程式碼展示瞭如何使用 NGINX 的 upstream 模組來宣告一組後端伺服器並進行負載分配。這裡我們使用了 weight 標記來根據不同優先順序分發請求。此外我們還介紹了一些其他標記如 fail_timeout, max_fails, max_conns, backup 和 down ，這些標記可以幫助我們更精確地控制負載分配策略。

負載平衡策略的選擇與實施

選擇合適的負載平衡策略需要根據具體需求和應用場景來決定。對於高流量網站和需要保持 Session Affinity 的應用場景來說，NGINX 提供了靈活且強大的解決方案。透過適當組態 upstream 模組和相關標記，我們可以有效地解決前面提到的一些常見問題並提升系統的穩定性和效能。

未來趨勢與改進建議

隨著技術的不斷進步和需求的變化，未來負載平衡技術可能會朝著更智慧化、自動化以及雲端化發展。例如：

智慧化負載分配：利用人工智慧和機器學習演算法實作更智慧化的負載分配策略。
自動化維運：透過自動化工具和系統監控技術實作更高效的維運管理。
雲端化佈署：將負載平衡功能遷移到雲端平台上，利用雲端資源進行彈性擴充套件和管理。

NGINX 作為 TCP/UDP 負載平衡器的實踐與最佳化

在現代網路架構中，負載平衡是提升系統穩定性與效能的關鍵技術。NGINX 作為一個強大的反向代理伺服器，不僅能夠處理 HTTP 請求的負載平衡，還可以作為 TCP/UDP 負載平衡器，廣泛應用於各種網路服務中。以下將探討如何利用 NGINX 進行 TCP/UDP 負載平衡，並結合實際案例及技術選型分析。

NGINX 的 TCP/UDP 負載平衡

會話親和性（Session Affinity）

在實務應用中，會話親和性是確保同一使用者請求總是由同一後端伺服器處理的技術。NGINX 提供多種方法來實作會話親和性，其中最簡單的方式是使用 ip_hash 指令。這個指令會根據客戶端的 IP 地址計算一個雜湊值，並根據該雜湊值將客戶端分配到特定的後端伺服器。只要客戶端的 IP 地址保持不變，NGINX 就會一直將請求轉發到同一台伺服器。

upstream {
    server 10.0.0.201 weight=3;
    server 10.0.0.202 weight=2;
    server 10.0.0.203;
    ip_hash;
}

然而，由於許多網路服務提供者仍然使用動態 IP 地址，這種方法可能不夠可靠。因此，我們可以使用自定義分佈鍵來實作更靈活的會話親和性。例如，可以根據 Cookie 值來分配請求：

upstream {
    server 10.0.0.201;
    server 10.0.0.202;
    hash $cookie_username;
}

Stream 模組

NGINX 的 Stream 模組使得 TCP/UDP 負載平衡成為可能。這個模組提供了一些新的指令來組態 TCP/UDP 負載平衡器。首先，我們需要在編譯 NGINX 時啟用 Stream 模組：

./configure --with-stream

接下來，我們可以在組態檔案中定義 stream 塊來組態 TCP/UDP 負載平衡。以下是一個 MySQL 負載平衡的例子：

stream {
    upstream MyGroup {
        hash $remote_addr;
        server 10.0.0.201 weight=2;
        server 10.0.0.202;
        server 10.0.0.203 backup; # 作為備份使用
    }

    server {
        listen 3306;
        proxy_pass MyGroup; # 轉發請求到上游群組
    }
}

此圖示展示了 NGINX 的 stream 模組如何工作：

@startuml
skinparam backgroundColor #FEFEFE
skinparam componentStyle rectangle

title NGINX 負載平衡策略與效能最佳化實務

package "Docker 架構" {
    actor "開發者" as dev

    package "Docker Engine" {
        component [Docker Daemon] as daemon
        component [Docker CLI] as cli
        component [REST API] as api
    }

    package "容器運行時" {
        component [containerd] as containerd
        component [runc] as runc
    }

    package "儲存" {
        database [Images] as images
        database [Volumes] as volumes
        database [Networks] as networks
    }

    cloud "Registry" as registry
}

dev --> cli : 命令操作
cli --> api : API 呼叫
api --> daemon : 處理請求
daemon --> containerd : 容器管理
containerd --> runc : 執行容器
daemon --> images : 映像檔管理
daemon --> registry : 拉取/推送
daemon --> volumes : 資料持久化
daemon --> networks : 網路配置

@enduml

內容解密：

upstream MyGroup：定義了一個名為 MyGroup 的上游群組。
hash $remote_addr;：根據客戶端的 IP 地址進行雜湊計算，實作會話親和性。
server 10.0.0.201 weight=2;：新增一台後端伺服器並設定權重為 2。
server 10.0.0.202;：新增另一台後端伺服器。
server 10.0.0.203 backup;：新增備份伺服器。
server { listen 3306; proxy_pass MyGroup; }：在 NGINX 中組態一個偵聽 MySQL 預設埠的伺服器塊，並將請求轉發到上游群組。

執行緒池與 I/O 機制

在高負載情況下，伺服器的資源管理至關重要。NGINX 的非同步架構雖然能夠有效處理大量連線，但在需要進行大量 I/O 操作（如檔案上傳或下載）時，可能會出現工作程式被阻塞的情況。

工作者程式的最佳化

考慮到網路延遲對伺服器效能的影響，我們可以透過以下方法來最佳化工作程式：

增加工作程式數量：根據 CPU 與負載特性調整工作程式數量。
使用執行緒池：在某些情況下，使用執行緒池可以提高 I/O 操作的效率。
調整 I/O 模型：根據具體應用場景選擇適當的 I/O 模型（如 epoll、kqueue）。

未來趨勢與改進點

隨著技術的不斷發展，NGINX 作為 TCP/UDP 負載平衡器的應用場景將越來越廣泛。未來可能會看到以下幾個趨勢：

更強大的流量控制：提供更精細化的流量控制機制。
增強安全性：在負載平衡過程中加入更多安全措施。
支援更多協定：擴充套件對更多協定（如 QUIC）的支援。

玄貓認為，透過深入理解 NGINX 的 Stream 模組及其相關組態，我們可以更靈活地應對各種網路負載平衡需求。無論是 HTTP 請求還是 TCP/UDP 流量，NGINX 均能提供高效且可靠的解決方案。

NGINX 線上負載平衡與效能最佳化

在現代網路應用中，負載平衡是確保系統穩定性和效能的關鍵技術。無論是傳統硬碟還是網路儲存，檔案讀取延遲都可能對系統效能造成顯著影響。當這些延遲累積時，即使只有幾毫秒的延遲也會對整體系統表現造成重大影響。針對這些問題，NGINX 提供了一些高效的解決方案，例如執行緒池（thread pools）機制。

執行緒池（Thread Pools）

從 NGINX 1.7.11 版本開始，NGINX 提供了執行緒池功能。這一機制的基本原理是將檔案讀取操作從同步模式轉換為非同步模式，透過執行緒來處理。這樣可以立即釋放工作者程式（worker process），讓它們能夠處理其他請求，從而提高系統的整體回應速度。

如何組態執行緒池

要啟用執行緒池功能，首先需要在編譯 NGINX 時使用 --with-threads 引數。這一功能並非預設啟用。組態執行緒池的第一步是在組態檔案的根目錄中定義一個執行緒池：

thread_pool MyPool threads=64;

這裡的 MyPool 是執行緒池的名稱，threads=64 表示該執行緒池將建立 64 個執行緒。預設情況下，NGINX 提供一個名為 default 的執行緒池，包含 32 個執行緒和最多 65,536 個排隊操作。

在需要使用非同步 IO 的位置塊中，可以透過 aio 指令來指定所需的執行緒池：

location /downloads/ {
    aio threads=MyPool;
}

如果不指定具體的執行緒池名稱，則會使用預設的執行緒池。

AIO、Sendfile 和 DirectIO

除了 aio 指令之外，NGINX 還支援 sendfile 和 directio 指令來進一步最佳化檔案讀取操作。

sendfile：這個指令允許直接在核心空間中進行檔案複製操作，從而減少上下文切換和記憶體複製帶來的開銷。
directio：這個指令允許直接進行磁碟 I/O 操作，避免快取帶來的延遲。

以下是一個結合了這三個指令的組態示例：

location /downloads/ {
    aio threads;
    directio 8k;
    sendfile on;
}

此組態中，如果客戶端請求的檔案大於 8KB（由 directio 指令指定），則使用 aio 進行非同步讀取；否則使用 sendfile 進行高效傳輸。

內容解密：

thread_pool：定義一個具體名稱（例如 MyPool）和數量（例如 threads=64）的執行緒池，用於處理非同步 IO 操作。
aio：在需要使用非同步 IO 的位置塊中指定使用哪個執行緒池。
sendfile：啟用快速檔案傳輸功能，減少記憶體複製和上下文切換。
directio：啟用直接磁碟 I/O 操作，避免快取延遲。

這些組態有助於提高 NGINX 伺服器在處理高並發請求時的效能和穩定性。

負載平衡與雲端計算

除了最佳化單個伺服器的資源管理外，負載平衡也是確保系統穩定性和可擴充套件性的重要手段。NGINX 提供了強大的負載平衡功能，可以將流量分配到多個後端伺服器上，從而提高系統的整體回應速度和可靠性。

在雲基礎設施中的 NGINX

隨著網路基礎設施從傳統伺服器組態向雲架構轉變，容器化技術如 Docker 越來越受到重視。Docker 提供了一種輕量級、可移植且易於管理的方式來佈署應用程式。透過將 NGINX 整合到 Docker 中，可以實作更靈活、更高效的佈署和管理。

Docker 的優勢

版本管理：Docker容器簡化了軟體版本管理過程，可以輕鬆回復到之前的版本。
隔離與效率：容器隔離應用程式，確保資源消耗不會相互影響。
佈署簡化：透過克服Docker學習曲線，佈署和擴充套件變得更加容易管理。

以下是一個使用 Docker 佈署 NGINX 的示例：

# Pull the official NGINX image from Docker Hub
docker pull nginx

# Run an NGINX container
docker run -d --name my-nginx -p 80:80 nginx

這段命令會從 Docker Hub 提取官方 NGINX 映象並執行一個包含 NGINX 的容器。

在雲基礎設施中的佈署

在雲基礎設施中佈署 NGINX 時，通常會使用 Docker 進行容器化佈署。以下是一個簡單的佈署步驟：

建立 Dockerfile：編寫一個 Dockerfile 來定義 NGINX 映象。
構建映象：使用 Docker 構建映象。
執行容器：將映象執行為一個容器。

Dockerfile 示例

# Use the official NGINX image as the base image
FROM nginx:latest

# Copy custom configuration files to the container
COPY nginx.conf /etc/nginx/nginx.conf

# Expose port 80 for HTTP traffic
EXPOSE 80

# Start NGINX server
CMD ["nginx", "-g", "daemon off;"]

構建並執行映象

# Build the Docker image
docker build -t my-nginx-image .

# Run the Docker container
docker run -d --name my-nginx-container -p 80:80 my-nginx-image

負載平衡策略

在雲基礎設施中佈署 NGINX 時，通常會結合負載平衡策略來提高系統的可擴充套件性和可靠性。常見的負載平衡策略包括輪詢（Round Robin）、最少連線（Least Connections）等。

以下是一個簡單的負載平衡組態示例：

http {
    upstream backend {
        server backend1.example.com;
        server backend2.example.com;
        server backend3.example.com;
    }

    server {
        listen 80;

        location / {
            proxy_pass http://backend;
        }
    }
}

NGINX 負載平衡策略與效能最佳化實務

負載平衡器概述

簡單的DNS負載平衡

可能的問題與挑戰

Session Affinity

Session Affinity的重要性

NGINX 的 upstream 模組

如何使用 upstream 模組

負載分配機制

其他標記

內容解密：

負載平衡策略的選擇與實施

未來趨勢與改進建議

推薦閱讀與參考資料

NGINX 作為 TCP/UDP 負載平衡器的實踐與最佳化

NGINX 的 TCP/UDP 負載平衡

會話親和性（Session Affinity）

Stream 模組

內容解密：

執行緒池與 I/O 機制

工作者程式的最佳化

未來趨勢與改進點

NGINX 線上負載平衡與效能最佳化

執行緒池（Thread Pools）

如何組態執行緒池

AIO、Sendfile 和 DirectIO

內容解密：

負載平衡與雲端計算

在雲基礎設施中的 NGINX

Docker 的優勢

在雲基礎設施中的佈署

Dockerfile 示例

構建並執行映象

負載平衡策略

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