喜极而泣,我终于学会了Nginx!

【51CTO.com原创稿件】本文首先介绍 Nginx 的反向代理、负载均衡、动静分离和高可用的原理,随后详解 Nginx 的配置文件,带大家从原理到实战,彻底搞懂 Nginx!

图片来自 Pexels

Nginx 是开源的轻量级 Web 服务器、反向代理服务器,以及负载均衡器和 HTTP 缓存器。其特点是高并发,高性能和低内存。

Nginx 专为性能优化而开发,性能是其最重要的考量,实现上非常注重效率,能经受高负载的考验,最大能支持 50000 个并发连接数。

Nginx 还支持热部署,它的使用特别容易,几乎可以做到 7x24 小时不间断运行。Nginx 的网站用户有:百度、淘宝、京东、腾讯、新浪、网易等。

反向代理

①正向代理

Nginx 不仅可以做反向代理,实现负载均衡,还能用做正向代理来进行上网等功能。

②反向代理

客户端对代理服务器是无感知的,客户端不需要做任何配置,用户只请求反向代理服务器,反向代理服务器选择目标服务器,获取数据后再返回给客户端。

反向代理服务器和目标服务器对外而言就是一个服务器,只是暴露的是代理服务器地址,而隐藏了真实服务器的 IP 地址。

负载均衡

将原先请求集中到单个服务器上的情况改为增加服务器的数量,然后将请求分发到各个服务器上,将负载分发到不同的服务器,即负载均衡。

动静分离

为了加快网站的解析速度,可以把静态页面和动态页面由不同的服务器来解析,加快解析速度,降低原来单个服务器的压力。

高可用

为了提高系统的可用性和容错能力,可以增加 Nginx 服务器的数量,当主服务器发生故障或宕机,备份服务器可以立即充当主服务器进行不间断工作。

Nginx 配置文件

①文件结构

...              #全局块 
 
events {         #events块 
   ... 
} 
 
http      #http块 
{ 
    ...   #http全局块 
    server        #server块 
    {  
        ...       #server全局块 
        location [PATTERN]   #location块 
        { 
            ... 
        } 
        location [PATTERN]  
        { 
            ... 
        } 
    } 
    server 
    { 
      ... 
    } 
    ...     #http全局块 
} 

Nginx 配置文件由三部分组成:

  • 全局块,主要设置一些影响 Nginx 服务器整体运行的配置指令。比如:worker_processes 1;worker_processes 值越大,可以支持的并发处理量就越多。
  • Events 块,涉及的指令主要影响 Nginx 服务器与用户的网络连接。比如:worker_connections 1024;支持的最大连接数。
  • HTTP 块,又包括 HTTP 全局块和 Server 块,是服务器配置中最频繁的部分,包括配置代理、缓存、日志定义等绝大多数功能。Server 块:配置虚拟主机的相关参数。Location 块:配置请求路由,以及各种页面的处理情况。

②配置文件

########### 每个指令必须有分号结束。################# 
#user administrator administrators;  #配置用户或者组,默认为nobody nobody。 
#worker_processes 2;  #允许生成的进程数,默认为1 
#pid /nginx/pid/nginx.pid;   #指定nginx进程运行文件存放地址 
error_log log/error.log debug;  #制定日志路径,级别。这个设置可以放入全局块,http块,server块,级别以此为:debug|info|notice|warn|error|crit|alert|emerg 
events { 
    accept_mutex on;   #设置网路连接序列化,防止惊群现象发生,默认为on 
    multi_accept on;  #设置一个进程是否同时接受多个网络连接,默认为off 
    #use epoll;      #事件驱动模型,select|poll|kqueue|epoll|resig|/dev/poll|eventport 
    worker_connections  1024;    #最大连接数,默认为512 
} 
http { 
    include       mime.types;   #文件扩展名与文件类型映射表 
    default_type  application/octet-stream; #默认文件类型,默认为text/plain 
    #access_log off; #取消服务日志     
    log_format myFormat '$remote_addr–$remote_user [$time_local] $request $status $body_bytes_sent $http_referer $http_user_agent $http_x_forwarded_for'; #自定义格式 
    access_log log/access.log myFormat;  #combined为日志格式的默认值 
    sendfile on;   #允许sendfile方式传输文件,默认为off,可以在http块,server块,location块。 
    sendfile_max_chunk 100k;  #每个进程每次调用传输数量不能大于设定的值,默认为0,即不设上限。 
    keepalive_timeout 65;  #连接超时时间,默认为75s,可以在http,server,location块。 
 
    upstream mysvr {    
      server 127.0.0.1:7878; 
      server 192.168.10.121:3333 backup;  #热备 
    } 
    error_page 404 https://www.baidu.com; #错误页 
    server { 
        keepalive_requests 120; #单连接请求上限次数。 
        listen       4545;   #监听端口 
        server_name  127.0.0.1;   #监听地址        
        location  ~*^.+$ {       #请求的url过滤,正则匹配,~为区分大小写,~*为不区分大小写。 
           #root path;  #根目录 
           #index vv.txt;  #设置默认页 
           proxy_pass  http://mysvr;  #请求转向mysvr 定义的服务器列表 
           deny 127.0.0.1;  #拒绝的ip 
           allow 172.18.5.54; #允许的ip            
        }  
    } 
}    

配置实例

下面通过配置 Nginx 配置文件,实现正向代理、反向代理、负载均衡、Nginx 缓存、动静分离和高可用 Nginx 6 种功能,并对 Nginx 的原理作进一步的解析。当需要使用 Nginx 配置文件时,参考本文实例即可,建议收藏。

①正向代理

正向代理的代理对象是客户端。正向代理就是代理服务器替客户端去访问目标服务器。

实现效果:在浏览器输入 www.google.com , 浏览器跳转到 www.google.com 。

具体配置:

server{ 
    resolver 8.8.8.8; 
    listen 80; 
 
    location / { 
        proxy_pass http://$http_host$request_uri; 
    } 
} 

在需要访问外网的客户端上执行以下一种操作即可:

1. 方法1(推荐) 
export http_proxy=http://你的正向代理服务器地址:代理端口    
 
2. 方法2 
vim ~/.bashrc 
export http_proxy=http://你的正向代理服务器地址:代理端口    

②反向代理

反向代理指代理后端服务器响应客户端请求的一个中介服务器,代理的对象是服务端。

实现效果:在浏览器输入 www.abc.com , 从 Nginx 服务器跳转到 Linux 系统 Tomcat 主页面。

具体配置:

server { 
    listen       80;    
    server_name  192.168.4.32;   #监听地址 
 
    location  / {        
       root html;  #/html目录 
       proxy_pass http://127.0.0.1:8080;  #请求转向 
       index  index.html index.htm;      #设置默认页        
    }  
} 

实现效果:根据在浏览器输入的路径不同,跳转到不同端口的服务中。

具体配置:

server { 
    listen       9000;    
    server_name  192.168.4.32;   #监听地址        
 
    location  ~ /example1/ {   
       proxy_pass http://127.0.0.1:5000;          
    }  
 
    location  ~ /example2/ {   
       proxy_pass http://127.0.0.1:8080;          
    }  
} 

Location 指令说明:

  • ~:表示 uri 包含正则表达式,且区分大小写。
  • ~*:表示 uri 包含正则表达式,且不区分大小写。
  • =:表示 uri 不含正则表达式,要求严格匹配。

③负载均衡

实现效果:在浏览器地址栏输入 http://192.168.4.32/example/a.html ,平均到 5000 和 8080 端口中,实现负载均衡效果。

具体配置:

upstream myserver {    
  server 192.167.4.32:5000; 
  server 192.168.4.32:8080; 
} 
 
 
server { 
    listen       80;   #监听端口 
    server_name  192.168.4.32;   #监听地址 
 
    location  / {        
       root html;  #html目录 
       index index.html index.htm;  #设置默认页 
       proxy_pass  http://myserver;  #请求转向 myserver 定义的服务器列表       
    }  
} 

Nginx 分配服务器策略:

轮询(默认):按请求的时间顺序依次逐一分配,如果服务器 down 掉,能自动剔除。

权重:weight 越高,被分配的客户端越多,默认为 1。

比如:

upstream myserver {    
  server 192.167.4.32:5000 weight=10; 
  server 192.168.4.32:8080 weight=5; 
} 

IP:按请求 IP 的 Hash 值分配,每个访客固定访问一个后端服务器。

比如:

upstream myserver {  
  ip_hash;   
  server 192.167.4.32:5000; 
  server 192.168.4.32:8080; 
} 

Fair:按后端服务器的响应时间来分配,响应时间短的优先分配到请求。

比如:

upstream myserver {  
  fair;   
  server 192.168.4.32:5000; 
  server 192.168.4.32:8080; 
} 

④Nginx 缓存

实现效果:在 3 天内,通过浏览器地址栏访问 http://192.168.4.32/a.jpg,不会从服务器抓取资源,3 天后(过期)则从服务器重新下载。

具体配置:

# http 区域下添加缓存区配置 
proxy_cache_path /tmp/nginx_proxy_cache levels=1 keys_zone=cache_one:512m inactive=60s max_size=1000m; 
 
# server 区域下添加缓存配置 
location ~ \.(gif|jpg|png|htm|html|css|js)(.*) { 
     proxy_pass http://192.168.4.32:5000;#如果没有缓存则转向请求 
     proxy_redirect off; 
     proxy_cache cache_one; 
     proxy_cache_valid 200 1h;            #对不同的 HTTP 状态码设置不同的缓存时间 
     proxy_cache_valid 500 1d; 
     proxy_cache_valid any 1m; 
     expires 3d; 
} 

Expires 是给一个资源设定一个过期时间,通过 Expires 参数设置,可以使浏览器缓存过期时间之前的内容,减少与服务器之间的请求和流量。

也就是说无需去服务端验证,直接通过浏览器自身确认是否过期即可,所以不会产生额外的流量。此种方法非常适合不经常变动的资源。

⑤动静分离

实现效果:通过浏览器地址栏访问 www.abc.com/a.html ,访问静态资源服务器的静态资源内容。

通过浏览器地址栏访问 www.abc.com/a.jsp ,访问动态资源服务器的动态资源内容。

具体配置:

upstream static {    
    server 192.167.4.31:80; 
} 
 
upstream dynamic {    
    server 192.167.4.32:8080; 
} 
 
server { 
    listen       80;   #监听端口 
    server_name  www.abc.com; 监听地址 
 
    # 拦截动态资源 
    location ~ .*\.(php|jsp)$ { 
       proxy_pass http://dynamic; 
    } 
 
    # 拦截静态资源 
    location ~ .*\.(jpg|png|htm|html|css|js)$ {        
       root /data/;  #html目录 
       proxy_pass http://static; 
       autoindex on;;  #自动打开文件列表 
    }   
} 

⑥高可用

一般情况下,通过 Nginx 主服务器访问后台目标服务集群,当主服务器挂掉后,自动切换至备份服务器,此时由备份服务器充当主服务器的角色,访问后端目标服务器。

实现效果:准备两台 Nginx 服务器,通过浏览器地址栏访问虚拟 IP 地址,把主服务器的 Nginx 停止,再次访问虚拟 IP 地址仍旧有效。

具体配置:

# 安装 keepalived 
yum install keepalived -y 
 
# 检查版本 
rpm -q -a keepalived 
keepalived-1.3.5-16.el7.x86_64 

1.在两台 Nginx 服务器上安 Keepalived:Keepalived 相当于一个路由,它通过一个脚本来检测当前服务器是否还活着,如果还活着则继续访问,否则就切换到另一台备份服务器。

2.修改主备服务器/etc/keepalived/keepalivec.conf 配置文件(可直接替换),完成高可用主从配置。

Keepalived 将 Nginx 服务器绑定到一个虚拟 IP,Nginx 高可用集群对外统一暴露这个虚拟 IP,客户端都是通过访问这个虚拟 IP 来访问 Nginx 服务器 。

global_defs { 
    notification_email { 
        acassen@firewall.loc 
        failover@firewall.loc 
        sysadmin@firewall.loc 
    } 
    notification_email_from_Alexandre.Cassen@firewall.loc 
    smtp_server 192.168.4.32 
    smtp_connect_timeout 30 
    router_id LVS_DEVEL  # 在 /etc/hosts 文件中配置,通过它能访问到我们的主机 
} 
 
vrrp_script_chk_http_port {    
    script "/usr/local/src/nginx_check.sh" 
 
    interval 2      # 检测脚本执行的时间间隔 
 
    weight 2        # 权重每次加2 
} 
 
vrrp_instance VI_1 { 
    interface ens7f0 # 网卡,需根据情况修改 
    state MASTER    # 备份服务器上将 MASTER 改为 BACKUP 
    virtual_router_id 51 # 主备机的 virtual_router_id 必须相同 
    priority 100   # 主备机取不同的优先级,主机值较大,备份机值较小 
    advert_int 1  # 每隔多长时间(默认1s)发送一次心跳,检测服务器是否还活着 
    authentication { 
      auth_type PASS 
      auth_pass 1111 
    } 
    virtual_ipaddress { 
        192.168.1.100 # VRRP H 虚拟地址,可以绑定多个 
    } 
} 

字段说明如下:

router_id:在 /etc/hosts 文件中配置,通过它能访问到我们的主机。

127.0.0.1   localhost localhost.localdomain localhost4 localhost4.localdomain4 
::1         localhost localhost.localdomain localhost6 localhost6.localdomain6 
127.0.0.1   LVS_DEVEL    

interval:设置脚本执行的间隔时间。

weight:当脚本执行失败即 Keepalived 或 Nginx 挂掉时,权重增加的值(可为负数)。

interface:输入 ifconfig 命令查看当前的网卡名是什么。

ens7f0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500 
        inet 192.168.4.32  netmask 255.255.252.0  broadcast 192.168.7.255 
        inet6 fe80::e273:9c3c:e675:7c60  prefixlen 64  scopeid 0x20<link> 
        ... ... 

3.在 /usr/local/src 目录下添加检测脚本 nginx_check.sh:

#!/bin/bash 
A=`ps -C nginx -no-header |wc -l` 
if [ $A -eq 0 ];then 
    /usr/local/nginx/sbin/nginx 
    sleep 2 
    if [ ps -C nginx -no-header |wc -l` -eq 0 ];then 
        killall keepalived 
    fi 
fi 

4.启动两台服务器的 Nginx 和 Keepalived:

# 启动 nginx 
./nginx 
 
# 启动 keepalived 
systemctl start keepalived.service 

5.查看虚拟 IP 地址 IP a。把主服务器 192.168.4.32 Nginx 和 Keepalived 停止,再访问虚拟 IP 查看高可用效果。

原理解析

Nginx 启动之后,在 Linux 系统中有两个进程,一个为 Master,一个为 Worker。

Master 作为管理员不参与任何工作,只负责给多个 Worker 分配不同的任务(Worker 一般有多个)。

ps -ef |grep nginx 
root     20473     1  0  2019 ?        00:00:00 nginx: master process /usr/sbin/nginx 
nginx     4628 20473  0 Jan06 ?        00:00:00 nginx: worker process 
nginx     4629 20473  0 Jan06 ?        00:00:00 nginx: worker process 

Worker 是如何工作的?客户端发送一个请求首先要经过 Master,管理员收到请求后会将请求通知给 Worker。

多个 Worker 以争抢的机制来抢夺任务,得到任务的 Worker 会将请求经由 Tomcat 等做请求转发、反向代理、访问数据库等(Nginx 本身是不直接支持 Java 的)。

一个 Master 和多个 Worker 的好处?

  • 可以使用 nginx -s reload 进行热部署。
  • 每个 Worker 是独立的进程,如果其中一个 Worker 出现问题,其他 Worker 是独立运行的,会继续争抢任务,实现客户端的请求过程,而不会造成服务中断。

设置多少个 Worker 合适?Nginx 和 Redis 类似,都采用了 IO 多路复用机制,每个 Worker 都是一个独立的进程,每个进程里只有一个主线程。

通过异步非阻塞的方式来处理请求,每个 Worker 的线程可以把一个 CPU 的性能发挥到极致,因此,Worker 数和服务器的 CPU 数相等是最为适宜的。

思考:

  • 发送一个请求,会占用 Worker 几个连接数?
  • 有一个 Master 和 4 个 Worker,每个 Worker 支持的最大连接数为 1024,该系统支持的最大并发数是多少?

恭喜!目前为止你已经掌握了 Nginx 6 种功能的配置方式,并和我一起进一步探讨了 Nginx 的原理。最后两个面试中可能会问到的思考题,欢迎大家评论区积极讨论。

作者:臧远慧

简介:就职于中科星图股份有限公司(北京),研发部后端技术组。个人擅长 Python/Java 开发,了解前端基础;熟练掌握 MySQL,MongoDB,了解 Redis;熟悉 Linux 开发环境,掌握 Shell 编程,有良好的 Git 源码管理习惯;精通 Nginx ,Flask、Swagger 开发框架;有 Docker+Kubernetes 云服务开发经验。对人工智能、云原生技术有较大的兴趣。

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