2017-10-13

Nginx负载均衡算法分析

随着互联网信息的爆炸性增长，负载均衡（load balance）已经不再是一个很陌生的话题，顾名思义，负载均衡即是将负载分摊到不同的服务单元，既保证服务的可用性，又保证响应足够快，给用户很好的体验。快速增长的访问量和数据流量催生了各式各样的负载均衡产品，很多专业的负载均衡硬件提供了很好的功能，但却价格不菲（如F5 BIG-IP、Citrix NetScaler、Radware等等，虽然可以解决问题，但其高昂的价格却往往令人望而却步），这使得负载均衡软件大受欢迎，nginx就是其中的一个。

nginx第一个公开版本发布于2004年，2011年发布了1.0版本。它的特点是稳定性高、功能强大、资源消耗低，从其目前的市场占有而言，nginx大有与apache抢市场的势头。其中不得不提到的一个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。本文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使用者提供参考。

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。

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源码的目录结构很清晰，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，我们就可以大致猜出其作用。其中，current_weight和weight的区别主要是前者为权重排序的值，随着处理请求会动态的变化，后者是配置值，用于恢复初始状态。
接下来看下轮询的创建过程，代码如下图所示。

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，逻辑很简单，代码实现也只有30行，直接上代码。

2. ip hash

ip hash是nginx内置的另一个负载均衡的策略，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算法的核心实现如下图：

从代码中可以看出，hash值既与ip有关又与后端机器的数量有关。经过测试，上述算法可以连续产生1045个互异的value，这是该算法的硬限制。对此nginx使用了保护机制，当经过20次hash仍然找不到可用的机器时，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，这为均衡性埋下了很深的隐患。