使用Nginx进行四层负载均衡

HTTP负载均衡，也就是我们通常所有”七层负载均衡”，工作在第七层”应用层”。而TCP负载均衡，就是我们通常所说的”四层负载均衡”，工作在”网络层”和”传输层”。例如，LVS(Linux Virtual Server，Linux虚拟服务)和F5(一种硬件负载均衡设备)，也是属于”四层负载均衡”

nginx-1.9.0 已发布，该版本增加了stream 模块用于一般的TCP 代理和负载均衡，ngx_stream_core_module 这个模块在1.90版本后将被启用。但是并不会默认安装， 
需要在编译时通过指定 --with-stream 参数来激活这个模块。 
  
1）配置Nginx编译文件参数 
./configure --with-http_stub_status_module --with-stream 
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2）编译、安装，make && make install 
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3）配置nginx.conf文件 
  
stream { 
 upstream kevin { 
 server 192.168.10.10:8080; #这里配置成要访问的地址 
 server 192.168.10.20:8081; 
 server 192.168.10.30:8081; #需要代理的端口，在这里我代理一一个kevin模块的接口8081 
 } 
 server { 
 listen 8081; #需要监听的端口 
 proxy_timeout 20s; 
 proxy_pass kevin; 
 } 
} 
  
创建最高级别的stream（与http同一级别），定义一个upstream组 名称为kevin，由多个服务组成达到负载均衡 定义一个服务用来监听TCP连接（如：8081端口）， 
并且把他们代理到一个upstream组的kevin中，配置负载均衡的方法和参数为每个server；配置些如：连接数、权重等等。 
  
首先创建一个server组，用来作为TCP负载均衡组。定义一个upstream块在stream上下文中，在这个块里面添加由server命令定义的server，指定他的IP地址和 
主机名（能够被解析成多地址的主机名)和端口号。下面的例子是建立一个被称之为kevin组，两个监听1395端口的server ，一个监听8080端口的server。 
  
upstream kevin { 
 server 192.168.10.10:8080; #这里配置成要访问的地址 
 server 192.168.10.20:8081; 
 server 192.168.10.30:8081; #需要代理的端口，在这里我代理一一个kevin模块的接口8081 
 } 
  
  
需要特别注意的是： 
你不能为每个server定义协议，因为这个stream命令建立TCP作为整个 server的协议了。 
  
配置反向代理使Nginx能够把TCP请求从一个客户端转发到负载均衡组中(如：kevin组)。在每个server配置块中 通过每个虚拟server的server的配置信息和在 
每个server中定义的监听端口（客户端需求的代理端口号，如我推流的的是kevin协议，则端口号为：8081）的配置信息和proxy_passs 命令把TCP通信发送到 
upstream的哪个server中去。下面我们将TCP通信发送到kevin 组中去。 
  
 server { 
 listen 8081; #需要监听的端口 
 proxy_timeout 20s; 
 proxy_pass kevin; 
 } 
  
当然我们也可以采用单一的代理方式： 
  
server { 
 listen 8081; #需要监听的端口 
 proxy_timeout 20s; 
 proxy_pass 192.168.10.30:8081; #需要代理的端口，在这里我代理一一个kevin模块的接口8081 
} 
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4）改变负载均衡的方法： 
默认nginx是通过轮询算法来进行负载均衡的通信的。引导这个请求循环的到配置在upstream组中server端口上去。 因为他是默认的方法，这里没有轮询命令， 
只是简单的创建一个upstream配置组在这儿stream山下文中，而且在其中添加server。 
  
a）least-connected ：对于每个请求，nginx plus选择当前连接数最少的server来处理: 
  
　upstream kevin { 
least_conn; 
 server 192.168.10.10:8080; #这里配置成要访问的地址 
 server 192.168.10.20:8081; 
 server 192.168.10.30:8081; #需要代理的端口，在这里我代理一一个kevin模块的接口8081 
 } 
  
b）least time ：对于每个链接,nginx pluns 通过几点来选择server的： 最底平均延时：通过包含在least_time命令中指定的参数计算出来的： 
connect：连接到一个server所花的时间 
first_byte：接收到第一个字节的时间 
last_byte：全部接收完了的时间 最少活跃的连接数: 
  
　upstream kevin { 
least_time first_byte; 
 server 192.168.10.10:8080; #这里配置成要访问的地址 
 server 192.168.10.20:8081; 
 server 192.168.10.30:8081; #需要代理的端口，在这里我代理一一个kevin模块的接口8081 
 } 
  
c）普通的hash算法：nginx plus选择这个server是通过user_defined 关键字，就是IP地址：$remote_addr; 
  
upstream kevin { 
hash $remote_addr consistent; 
 server 192.168.10.10:8080 weight=5; #这里配置成要访问的地址 
 server 192.168.10.20:8081 max_fails=2 fail_timeout=30s; 
 server 192.168.10.30:8081 max_conns=3; #需要代理的端口，在这里我代理一一个kevin模块的接口8081 
 } 

当Nginx从监听端口收到一个新的客户端链接时，立刻执行路由调度算法，获得指定需要连接的服务IP，然后创建一个新的上游连接，连接到指定服务器。

TCP负载均衡支持Nginx原有的调度算法，包括Round Robin(默认，轮询调度)，哈希(选择一致)等。同时，调度信息数据也会和健壮性检测模块一起协作，为每个连接选择适当的目标上游服务器。如果使用Hash负载均衡的调度方法，你可以使用$remote_addr(客户端IP)来达成简单持久化会话(同一个客户端IP的连接，总是落到同一个服务server上)。

和其他upstream模块一样，TCP的stream模块也支持自定义负载均和的转发权重(配置“weight=2”)，还有backup和down的参数，用于踢掉失效的上游服务器。max_conns参数可以限制一台服务器的TCP连接数量，根据服务器的容量来设置恰当的配置数值，尤其在高并发的场景下，可以达到过载保护的目的。

Nginx监控客户端连接和上游连接，一旦接收到数据，则Nginx会立刻读取并且推送到上游连接，不会做TCP连接内的数据检测。Nginx维护一份内存缓冲区，用于客户端和上游数据的写入。如果客户端或者服务端传输了量很大的数据，缓冲区会适当增加内存的大小。

当Nginx收到任意一方的关闭连接通知，或者TCP连接被闲置超过了proxy_timeout配置的时间，连接将会被关闭。对于TCP长连接，我们更应该选择适当的proxy_timeout的时间，同时，关注监听socke的so_keepalive参数，防止过早地断开连接。

TCP负载均衡模块支持内置健壮性检测，一台上游服务器如果拒绝TCP连接超过proxy_connect_timeout配置的时间，将会被认为已经失效。在这种情况下，Nginx立刻尝试连接upstream组内的另一台正常的服务器。连接失败信息将会记录到Nginx的错误日志中。

如果一台服务器，反复失败(超过了max_fails或者fail_timeout配置的参数)，Nginx也会踢掉这台服务器。服务器被踢掉60秒后，Nginx会偶尔尝试重连它，检测它是否恢复正常。如果服务器恢复正常，Nginx将它加回到upstream组内，缓慢加大连接请求的比例。

之所”缓慢加大”，因为通常一个服务都有”热点数据”，也就是说，80%以上甚至更多的请求，实际都会被阻挡在”热点数据缓存”中，真正执行处理的请求只有很少的一部分。在机器刚刚启动的时候，”热点数据缓存”实际上还没有建立，这个时候爆发性地转发大量请求过来，很可能导致机器无法”承受”而再次挂掉。以mysql为例子，我们的mysql查询，通常95%以上都是落在了内存cache中，真正执行查询的并不多。

其实，无论是单台机器或者一个集群，在高并发请求场景下，重启或者切换，都存在这个风险，解决的途径主要是两种：

1)请求逐步增加，从少到多，逐步积累热点数据，最终达到正常服务状态。

2)提前准备好”常用”的数据，主动对服务做”预热”，预热完成之后，再开放服务器的访问。

TCP负载均衡原理上和LVS等是一致的，工作在更为底层，性能会高于原来HTTP负载均衡不少。但是，不会比LVS更为出色，LVS被置于内核模块，而Nginx工作在用户态，而且，Nginx相对比较重。另外一点，令人感到非常可惜，这个模块竟然是个付费功能。