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Windows与Linux环境下的高性能负载均衡教程

2025-05-20 16:10:11 作者：Hello.Reader

这篇文章主要介绍了Windows与Linux环境下的高性能负载均衡教程,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教

1. NGINX 架构 & 工作原理

1.Master/Worker 进程模型

Master：仅负责加载配置、管理 Worker（平滑重载、信号处理）。
Worker：事件驱动，一般与 CPU 核心数相同或略多，通过 epoll/kqueue 高效处理海量并发连接。

2.无阻塞 I/O & 异步事件

每个 Worker 在一个线程内即可管理上万连接，极大降低上下文切换。

3.模块化设计

HTTP、Stream、Mail 等子系统均可按需编译模块：

ngx_http_upstream_module（负载均衡）
ngx_http_stub_status_module（状态监控）
第三方健康检查模块、Lua 脚本扩展等。

2. Windows 平台部署

适用场景：企业内部测试、与 IIS 协同（通过 ARR / AJP 协议等）或方便 Windows 环境下快速部署。

2.1 下载与解压

访问 nginx.org(en) 下载页
获取 Stable version 的 ZIP 包，例如 nginx-1.24.0.zip。
解压到 C:\nginx\ 目录。

2.2 注册为 Windows 服务（可选）

使用 NSSM（Non-Sucking Service Manager）：

# 假设 nssm.exe 已放在 C:\tools\nssm\nssm.exe
C:\tools\nssm\nssm install nginx "C:\nginx\nginx.exe"
# 启动服务
net start nginx

2.3 配置文件位置

主配置：C:\nginx\conf\nginx.conf
日志：C:\nginx\logs\access.log / error.log

2.4 常用命令

# 启动
C:\nginx\nginx.exe

# 平滑重载（重读配置）
C:\nginx\nginx.exe -s reload

# 停止
C:\nginx\nginx.exe -s quit

小贴士：在 Windows 下，-s reload 可能不如 Linux 稳定，可结合 NSSM 服务的重启实现零 Downtime。

3. Linux 平台部署

适用场景：生产环境首选。本文以 Ubuntu 为例，CentOS / RHEL 同理。

3.1 安装（包管理/编译安装）

3.1.1 包管理安装

# Ubuntu / Debian
sudo apt update
sudo apt install -y nginx

# CentOS / RHEL
sudo yum install -y epel-release
sudo yum install -y nginx

3.1.2 源码编译（自定义模块）

# 安装依赖
sudo apt install -y build-essential libpcre3 libpcre3-dev zlib1g zlib1g-dev \
                     libssl-dev

# 下载源码并编译
wget http://nginx.org/download/nginx-1.24.0.tar.gz
tar zxvf nginx-1.24.0.tar.gz && cd nginx-1.24.0

./configure \
  --prefix=/usr/local/nginx \
  --with-http_ssl_module \
  --with-http_v2_module \
  --with-http_stub_status_module \
  --with-stream \
  --with-stream_ssl_module
make && sudo make install

3.2 服务管理

Systemd

sudo systemctl enable nginx
sudo systemctl start nginx
sudo systemctl reload nginx
sudo systemctl status nginx

配置目录

/etc/nginx/nginx.conf：主配置
/etc/nginx/conf.d/*.conf：虚拟主机／负载均衡片段
/usr/share/nginx/html/：默认静态服务根

4. 核心负载均衡配置

以下示例均放在 http { … } 段内。

4.1 基础 Round-Robin（轮询）

upstream backend {
    server srv1.example.com:80;
    server srv2.example.com:80;
    server srv3.example.com:80;
}

server {
    listen 80;
    location / {
        proxy_pass http://backend;
    }
}

特性：默认轮询，新连接依序分发；对等服务器无需额外指令。

4.2 Least-Connected（最少连接）

upstream backend {
    least_conn;
    server srv1.example.com;
    server srv2.example.com;
    server srv3.example.com;
}

场景：请求耗时差异大，或部分节点性能不同，动态均衡更公平。

4.3 IP-Hash（基于客户端 IP）

upstream backend {
    ip_hash;
    server srv1.example.com;
    server srv2.example.com;
    server srv3.example.com;
}

会话保持：同一客户端 IP 始终打到同一后端，适用于有状态应用（Session、购物车等）。

4.4 加权（Weight）

upstream backend {
    server srv1.example.com weight=4;
    server srv2.example.com weight=1;
    server srv3.example.com weight=1;
}

意义：每 6 个请求中，srv1 将承担 4 个，其他各 1 个。可与任意调度算法（轮询、least_conn、ip_hash）联合使用。

4.5 备用节点 & 强制下线

upstream backend {
    server srv1.example.com;
    server srv2.example.com backup;   # 仅在主组不可用时才使用
    server srv3.example.com down;     # 永久下线（手动维护）
}

5. 健康检查与故障恢复

5.1 被动健康检查（开箱即用）

max_fails：连续失败次数
fail_timeout：失败后多长时间内禁用

upstream backend {
    server srv1.example.com max_fails=2 fail_timeout=15s;
    server srv2.example.com;
}

流程：

若 2 次请求超时/断开，srv1 标记为 Unhealthy；
禁用 15s；
15s 后首次新请求探活，成功即恢复。

5.2 主动健康检查（NGINX Plus / 第三方模块）

NGINX Plus：内置 health_check 与可视化 API。
Open Source：可编译 nginx-upstream-check-module，或使用 Lua 脚本按固定间隔 http 探测。

6. 性能调优

6.1 连接与缓冲

# 在 http{} 顶层设置
worker_connections  10240;      # 每 Worker 最大连接数
keepalive_timeout   65s;        # 客户端长连接超时
keepalive_requests  100;        # 单连接最大请求数

proxy_buffers：调整上游响应缓冲区
proxy_busy_buffers_size：大响应场景优化

6.2 超时配置

server {
    proxy_connect_timeout  3s;   # 建立 TCP 连接超时
    proxy_send_timeout     10s;  # 发送请求到后端超时
    proxy_read_timeout     30s;  # 接收后端响应超时
}

6.3 内核 & 网络调优

somaxconn

sysctl -w net.core.somaxconn=65535

tcp_tw_reuse/tcp_fin_timeout：加速 TIME_WAIT 回收
ulimit -n：提升文件描述符上限

7. 监控 & 日志

7.1 Stub Status

在 server{} 段开启：

location /nginx_status {
    stub_status on;
    allow  127.0.0.1;
    deny   all;
}

输出示例：

Active connections: 291 
server accepts handled requests
 15394 15394 54123 
Reading: 0 Writing: 1 Waiting: 290

7.2 日志格式自定义

log_format main '$remote_addr - $remote_user [$time_local] '
                '"$request" $status $body_bytes_sent '
                '"$http_referer" "$http_user_agent" '
                'rt=$request_time ua="$upstream_addr" us="$upstream_response_time"';
access_log /var/log/nginx/access.log main;

rt/us 可用于请求耗时分析、后端性能监控。

7.3 Prometheus 集成

使用 nginx-prometheus-exporter；
结合 Grafana 构建实时大屏。

8. 常见故障排查

场景	错误表现	排查思路
后端 502 Bad Gateway	502 页面	检查后端服务是否启动；error.log 中定位 upstream prematurely closed
超时 504 Gateway	请求超时	调大 proxy_read_timeout；后端性能分析
配置重载失败	invalid number…	语法检查：nginx -t；注意分号、括号
连接数耗尽	500 / 卡顿	提升 worker_connections；监控 Active connections

9. 进阶 & 拓展

动态 DNS 解析：

server backend.example.com resolve; + resolver

gRPC & HTTP/2：

http2 on;
grpc_pass grpc://backend;

缓存：proxy_cache_path + proxy_cache
安全：IP 白名单、WAF（ModSecurity）、TLS 卸载与硬件加速

总结

本文系统地覆盖了：

NGINX 架构与事件模型
Windows 与 Linux 双平台安装、服务化
核心调度算法：轮询、最少连接、IP 哈希、加权、备用/下线
健康检查（被动 & 主动）
性能与内核调优
监控、日志采集与可视化
常见故障排查与进阶功能

通过以上实践，您可在自研环境或生产集群中，快速搭建一个高可用、可扩展的 HTTP 负载均衡层。后续可结合微服务网关（Service Mesh）、WAF、安全审计与灰度发布，实现更高级的流量控制与运维自动化。

以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持脚本之家。