nginx（4）-负载均衡的5种策略及原理nginx的upstream⽬前⽀持的5种⽅式的分配
1、轮询（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。
upstream backserver {
server 192.168.0.14;
server 192.168.0.15;
}
2、指定权重
指定轮询⼏率，weight和访问⽐率成正⽐，⽤于后端服务器性能不均的情况。
upstream backserver {
server 192.168.0.14 weight=8;
server 192.168.0.15 weight=10;
}
3、IP绑定 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。upstream backserver {
ip_hash;
server 192.168.0.14:88;
server 192.168.0.15:80;
}
4、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。
upstream backserver {
server server1;
server server2;
fair;
}
5、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。upstream backserver {
server squid1:3128;
server squid2:3128;
hash $request_uri;
hash_method crc32;
}
在需要使⽤负载均衡的server中增加
proxy_pass backserver/;
upstream backserver{
ip_hash;
server 127.0.0.1:9090 down; (down 表⽰当前的server暂时不参与负载)
server 127.0.0.1:8080 weight=2; (weight 默认为1.weight越⼤，负载的权重就越⼤)
server 127.0.0.1:6060;
server 127.0.0.1:7070 backup; (其它所有的⾮backup机器down或者忙的时候，请求backup机器)
}
max_fails ：允许请求失败的次数默认为1.当超过最⼤次数时，返回proxy_next_upstream 模块定义的错误
fail_timeout:max_fails次失败后，暂停的时间
深⼊解析：
1 前⾔
随着⽹站负载的不断增加，负载均衡（load balance）已不是陌⽣话题。负载均衡是将流量负载分摊到不同的服务单元，保证服务器的⾼可⽤，保证响应⾜够快，给⽤户良好的体验。
nginx第⼀个公开版发布于2004年。2011年发布了1.0版。它的特点是稳定性⾼、功能强⼤、资源消耗低。从服务器市场占有率来看，nginx 已有与Apache分庭抗礼势头。其中，不得不提到的特性就是其负载均衡功能，这也成了很多公司选择它的主要原因。
我们将从源码的⾓度介绍nginx的内置负载均衡策略和扩展负载均衡策略，以实际的⼯业⽣产为案例，对⽐各负载均衡策略，为nginx使⽤者提供⼀些参考。
2. 源码剖析
nginx的负载均衡策略可以划分为两⼤类：内置策略和扩展策略
内置策略包含加权轮询和ip hash，在默认情况下这两种策略会编译进nginx内核，只需在nginx配置中指明参数即可。扩展策略有很多，如fair、通⽤hash、consistent hash等，默认不编译进nginx内核。
由于在nginx版本升级中负载均衡的代码没有本质性的变化，因此下⾯将以nginx1.0.15稳定版为例，从源码⾓度分析各个策略。
2.1. 加权轮询（weighted round robin）
轮询的原理很简单，⾸先我们介绍⼀下轮询的基本流程。如下是处理⼀次请求的流程图：
图中有两点需要注意：
第⼀，如果可以把加权轮询算法分为先深搜索和先⼴搜索，那么nginx采⽤的是先深搜索算法，即将⾸先将请求都分给⾼权重的机器，直到该机器的权值降到了⽐其他机器低，才开始将请求分给下⼀个⾼权重的机器。
第⼆，当所有后端机器都down掉时，nginx会⽴即将所有机器的标志位清成初始状态，以避免造成所有的机器都处在timeout的状态，从⽽导致整个前端被夯住。
接下来看下源码。nginx的⽬录结构很清晰，加权轮询所在路径为nginx-1.0.15/src/http/ngx_http_upstream_round_robin.[c|h]，在源码的基础上，针对重要的、不易理解的地⽅我加了注释。⾸先看下ngx_http_upstream_round_robin.h中的重要声明：
从变量命名中就可以⼤致猜出其作⽤。解释⼀下current_weight和weight的区别，前者为权重排序的值，随着处理请求会动态的变化，后者
则是配置值，⽤来恢复初始状态。
接下我们来看下轮询的创建过程。代码如下图：
这⾥有个tried变量需要做些说明：tried中记录了服务器当前是否被尝试连接过。他是⼀个位图。如果服务器数量⼩于32，则只需在⼀个int中即可记录下所有服务器状态。如果服务器数量⼤于32，则需在内存池中申请内存来存储。
对该位图数组的使⽤可参考如下代码：
最后是实际的策略代码，逻辑较简单，代码实现也只有30⾏。来看代码。
2.2. ip hash策略
ip hash是nginx内置的另⼀个负载均衡策略，流程和轮询很类似，只是其中的算法和具体的策略有些变化。如下图所⽰：
ip hash算法的核⼼实现请看如下代码：
可以看到，hash值既与ip有关⼜与后端机器的数量有关。经测试，上述算法可以连续产⽣1045个互异的value，这是此算法硬限制。nginx使⽤了保护机制，当经过20次hash仍然不到可⽤的机器时，算法退化成轮询。
因此，从本质上说，ip hash算法是⼀种变相的轮询算法，如果两个ip的初始hash值恰好相同，那么来⾃这两个ip的请求将永远落在同⼀台服务器上，这为均衡性埋下了较深隐患。
2.3. fair
fair策略是扩展策略，默认不被编译进nginx内核。它根据后端服务器的响应时间判断负载情况，从中选出负载最轻的机器进⾏分流。
这种策略具有很强的⾃适应性，但是实际的⽹络环境往往不是那么简单，因此须慎⽤。
2.4.通⽤hash、⼀致性hash
通⽤hash和⼀致性hash也是种扩展策略。通⽤hash可以以nginx内置的变量为key进⾏hash，⼀致性hash采⽤了nginx内置的⼀致性hash 环，可⽀持memcache。
3 对⽐测试
了解了以上负载均衡策略，接下来我们来做⼀些测试。
主要是对⽐各个策略的均衡性、⼀致性、容灾性等，从⽽分析出其中的差异性，根据数据给出各⾃的适⽤场景。
为了能够全⾯、客观的测试nginx的负载均衡策略，我们采⽤两个测试⼯具、在不同场景下做测试，以此来降低环境对测试结果造成的影响。
⾸先给⼤家介绍测试⼯具、测试⽹络拓扑和基本之测试流程。
前端测试和后端测试的区别
3.1 测试⼯具
3.1.1  easyABC
easyABC是百度内部开发的性能测试⼯具，培训采⽤epool模型实现，简单易上⼿，可以模拟GET/POST请求，极限情况下可以提供上万的压⼒，在团队内部得到⼴泛使⽤。
由于被测试对象为反向代理服务器，因此需要在其后端搭建桩服务器，这⾥⽤nginx作为桩Web Server，提供最基本的静态⽂件服务。
3.1.2  polygraph
polygraph是⼀款免费的性能测试⼯具，以对缓存服务、代理、交换机等⽅⾯的测试见长。它有规范的配置语⾔PGL（Polygraph Language），为软件提供了强⼤的灵活性。其⼯作原理如下图所⽰：
polygraph提供Client端和Server端，将测试⽬标nginx放在⼆者之间，三者之间的⽹络交互均⾛http协议，只需配置ip+port即可。
Client端可以配置虚拟robot的个数以及每个robot发请求的速率，并向代理服务器发起随机的静态⽂件请求，Server端将按照请求的url⽣成随机⼤⼩的静态⽂件做响应。
选⽤这个测试软件的⼀个主要原因：可以产⽣随机的url作为nginx各种hash策略key。
另外polygraph还提供了⽇志分析⼯具，功能⽐较丰富，感兴趣的同学可以参考附录材料。
3.2. 测试环境
本次测试运⾏在5台物理机。其中：被测对象单独搭在⼀台8核机器上，另外四台4核机器分别搭建了easyABC、webserver桩和polygraph。如下图所⽰：
3.3. 测试⽅案
给各位介绍⼀下关键的测试指标：
均衡性：是否能够将请求均匀的发送给后端
⼀致性：同⼀个key的请求，是否能落到同⼀台机器
容灾性：当部分后端机器挂掉时，是否能够正常⼯作
以上述指标为指导，我们针对如下4个测试场景分别⽤easyABC和polygraph测试：
场景1      server_*均正常提供服务；
场景2      server_4挂掉，其他正常；
场景3      server_3、server_4挂掉，其他正常；
场景4      server_*均恢复正常服务。
上述四个场景将按照时间顺序进⾏，每个场景将建⽴在上⼀个场景基础上，被测试对象⽆需做任何操作，以最⼤程度模拟实际情况。
另外，考虑到测试⼯具⾃⾝的特点，在easyabc上的测试压⼒在17000左右，polygraph上的测试压⼒在4000左右。以上测试均保证被测试对象可以正常⼯作，且⽆任何notice级别以上（alert/error/warn）的⽇志出现，在每个场景中记录下server_*的qps⽤于最后的策略分析。
3.4.  结果
对⽐在两种测试⼯具下的测试结果会发现，结果完全⼀致，因此可以排除测试⼯具的影响。表1和图1是轮询策略在两种测试⼯具下的负载情况。
从图表中可以看出，轮询策略对于均衡性和容灾性都可以做到较好的满⾜。

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