NGINX upstream、stream、四/七层负载均衡以及案例示例

原创 已于 2024-02-08 11:31:00 修改 · 4.6k 阅读 · 18 ·
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#nginx #负载均衡 #运维

于 2024-02-08 11:30:19 首次发布
本文详细介绍了Nginx在四层和七层负载均衡的应用，包括OSI模型的解释、upstream指令的使用、负载均衡状态与策略（如轮询、加权轮询、ip_hash等）、以及stream模块在TCP转发中的应用。通过实例演示了如何配置Nginx实现负载均衡，包括公平策略的运用。

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前言

  伴随单台服务器性能及单点故障问题的凸显，一方面需要增加系统的硬件处理能力，另一方面需要添加机器构建应用集群
  应用集群：将同一应用部署到多台机器上，组成处理集群，接收负载均衡设备分发的请求，进行处理并返回响应的数据
  负载均衡器:将用户访问的请求根据对应的负载均衡算法，分发到集群中的一台服务器进行处理

1. 四/七层负载均衡

1.1 开放式系统互联模型 —— OSI

将网络通信的工作分为七层：
  应用层：为应用程序提供网络服务。
  表示层：对数据进行格式化、编码、加密、压缩等操作。
  会话层：建立、维护、管理会话连接。
  传输层：建立、维护、管理端到端的连接，常见的有TCP/UDP。
  网络层：IP寻址和路由选择
  数据链路层：控制网络层与物理层之间的通信。
  物理层：比特流传输

1.2 四/七层负载均衡

  四层负载均衡：OSI七层模型中的传输层，主要是基于IP+PORT的负载均衡
  七层负载均衡：在应用层，主要是基于虚拟的URL或主机IP
的负载均衡
  四层负载均衡数据包在底层分发，而七层负载均衡数据包则在最顶端进行分发，所以四层负载均衡的效率比七层负载均衡的要高。四层负载均衡不识别域名，而七层负载均衡识别域名。在生产实践中，一般采用四层负载(LVS)+七层负载(Nginx)

2. Nginx七层负载均衡

2.1 upstream指令

  定义一组服务器，可以是监听不同端口的服务器，也可以是同时监听TCP和Unix socket的服务器。服务器可以指定不同的权重，默认为1

2.2 server指令和负载均衡状态与策略

  指定后端服务器的名称和一些参数，可以使用域名、IP、端口或者unix socket

2.2.1 负载均衡状态

down:将该服务器标记为永久不可用，那么该代理服务器将不参与负载均衡

backup:将该服务器标记为备份服务器，当主服务器不可用时，将用来传递请求

max_conns=number:用来设置代理服务器同时活动链接的最大数量，默认为0，表示不限制，使用该配置可以根据后端服务器处理请求的并发量来进行设置，防止后端服务器被压垮

max_fails=number:设置允许请求代理服务器失败的次数，默认为1

fail_ti

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使用Nginx+LVS构建四层/七层负载均衡架构，，，这个有什么可以写的项目吗
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<think>嗯，用户想了解使用Nginx和LVS构建四层和七层负载均衡架构的项目点子。首先，我得回顾一下Nginx和LVS各自的特点。LVS主要工作在四层，基于IP和端口进行负载均衡，效率高；而Nginx在七层，能处理HTTP协议，支持更复杂的策略。结合起来的话，应该是一个分层的架构，LVS做四层负载，Nginx做七层，对吧？ 接下来，用户可能需要具体的项目方向，比如应用场景或者实现方案。得考虑实际的应用案例，比如高并发网站、微服务架构或者混合云环境。比如电商平台在促销时流量大，可以用LVS分流到多个Nginx服务器，再由Nginx反向代理到后端服务。这样既能处理大流量，又能灵活路由。 另外，用户可能想知道如何设计这样的架构，包括高可用性、安全防护、动态扩展等方面。可能需要提到Keepalived来实现LVS的高可用，Nginx的负载均衡算法，以及自动扩缩容的机制。还有监控和日志分析，比如使用Prometheus和ELK栈来监控系统状态和分析日志。 还要考虑不同场景下的配置，比如四层和七层负载均衡的结合使用，LVS的DR模式或NAT模式，Nginx的缓存和SSL终止功能。可能还需要提到容器化部署，比如Kubernetes结合LVS和Nginx Ingress Controller，这样在云原生环境中应用。 用户可能对具体的技术细节不太清楚，所以需要给出项目的大致框架，比如架构设计、实现步骤、优化点等。同时，可以建议一些实验性的项目，比如搭建测试环境，模拟高并发请求，测试负载均衡的效果，或者实现灰度发布、蓝绿部署等高级功能。 还要注意用户是否有特定的行业需求，比如金融、游戏或视频流媒体，不同的行业可能有不同的负载均衡需求。比如视频流媒体需要处理大量的持久连接，可能更依赖四层负载均衡；而Web应用可能需要七层的智能路由。 最后，要确保项目建议具备可实施性，可能需要分阶段进行，比如先搭建基础架构，再逐步添加高可用、安全、自动化等功能。同时，可以推荐一些工具和技术栈，如Ansible自动化部署，Jenkins持续集成，以及各种监控工具的结合使用。</think>以下是结合Nginx（七层）和LVS（四层）构建负载均衡架构的6个可拓展项目方向及实现思路： --- ### 一、电商大促流量削峰系统 **技术栈组合** ``` LVS(DR模式) → Nginx集群 → 业务服务器 ↑ ↑ Keepalived Consul服务发现 ``` **核心实现** 1. LVS采用加权轮询算法分流TCP流量 2. Nginx通过`map`模块实现动态流量染色： ```nginx map $http_x_forwarded_for $group { ~^192.168.1.* "group_a"; default "group_b"; } upstream backend { server 10.0.0.1:8080 route=$group; } ``` 3. 通过`lua-resty-core`实现动态限流： ```lua local limit_req = require "resty.limit.req" local limiter = limit_req.new("my_limit_store", 100, 200) -- 100r/s, 200 burst local delay, err = limiter:incoming(ngx.var.remote_addr, true) ``` --- ### 二、混合云流量调度平台 **架构设计** ``` 公网用户 → LVS(Anycast) → [公有云Nginx] ↔ 专线 ↔ [私有云Nginx] ``` **关键技术点** 1. 使用eBPF实现LVS的ECMP动态路径选择 2. 基于BGP协议的Anycast实现 3. Nginx配置多upstream故障转移： ```nginx upstream cloud_providers { server 公有云1 backup; server 公有云2 backup; server 私有云主 max_fails=3; } ``` --- ### 三、金融级API网关 **安全增强方案** 1. LVS层配置SYN Cookie防护： ```shell sysctl -w net.ipv4.vs.syn_retries=2 sysctl -w net.ipv4.vs.synack_retries=1 ``` 2. Nginx层实现动态证书加载： ```nginx ssl_certificate_by_lua_block { local ssl = require "ngx.ssl" local cert, err = ssl.get_ssl_certificate() if not cert then ssl.set_ssl_certificate("动态证书路径") end } ``` 3. 硬件SSL加速卡绑定方案： ```shell openssl engine -t -c | grep qat # 确认QAT加速引擎 ``` --- ### 四、物联网设备接入层 **协议优化方案** 1. MQTT协议长连接保持： ```nginx stream { upstream mqtt_cluster { server 10.0.1.1:1883; server 10.0.1.2:1883; sticky srv_id=$remote_addr; } } ``` 2. LVS持久化连接配置： ```shell ipvsadm -A -t 192.168.1.100:1883 -s sh ipvsadm -E -t 192.168.1.100:1883 -p 600 # 10分钟保持 ``` --- ### 五、智能DNS负载系统 **动态调度实现** 1. LVS与DNS联动架构： ``` 用户 → DNS智能解析 → LVS集群 → Nginx → 业务 ``` 2. Bind视图配置示例： ```bind view "telecom" { match-clients { 电信IP段; }; zone "example.com" { type master; file "telecom.zone"; # 指向电信集群VIP }; } ``` --- ### 六、AI模型推理网关 **GPU资源调度** 1. Nginx流量特征提取： ```nginx location /inference { lua_need_request_body on; content_by_lua_file lua/feature_extract.lua; } ``` 2. LVS基于ToS字段的QoS分级： ```shell iptables -t mangle -A PREROUTING -p tcp --dport 8501 -j MARK --set-mark 0x6 ipvsadm -A -t 10.0.0.1:8501 -s wrr -F 0x6 ``` --- ### 项目深化建议 1. **性能调优**：使用DPDK优化LVS转发性能，实测可达20Mpps 2. **可观测性**：集成OpenTelemetry实现全链路追踪 3. **混沌工程**：使用Chaos Mesh模拟网络分区、节点故障 4. **弹性伸缩**：基于QPS的自动扩缩容策略： ```python def scale_policy(current_qps): if current_qps > threshold_upper: scale_out(2) # 扩展2个节点 elif current_qps < threshold_lower: scale_in(1) ``` 每个项目都可基于实际需求进行组合扩展，例如在金融网关中引入混合云调度能力，或在物联网平台整合AI推理特性。建议从单业务场景切入，逐步构建完整解决方案。
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