基于Nginx在高并發(fā)WEB負(fù)載均衡系統(tǒng)中的算法研究

摘 要 由于Apache在請(qǐng)求分發(fā)服務(wù)器性能上存在一定的不足，直接影響著高并發(fā)WEB負(fù)載均衡系統(tǒng)的正常運(yùn)行。本文以既有方案為前提，利用Nginx彈性擴(kuò)展構(gòu)架，以及Load Runner與Web Bench工具，測(cè)試了網(wǎng)絡(luò)在線支付系統(tǒng)中的高并發(fā)訪問。據(jù)此可知，通過利用Nginx，服務(wù)器所可以承擔(dān)高并發(fā)訪問量，其能夠提高將近10倍左右，服務(wù)器資源所占比例也明顯下降，用戶訪問WEB應(yīng)用，所需要等待的響應(yīng)時(shí)間在很大程度上縮減。

關(guān)鍵詞 Nginx;高并發(fā)WEB;負(fù)載均衡系統(tǒng);應(yīng)用

1Nginx現(xiàn)狀

Nginx以進(jìn)程和線程為基礎(chǔ)的模型，在進(jìn)行并發(fā)連接處理時(shí)，系統(tǒng)會(huì)針對(duì)每個(gè)連接，利用獨(dú)立的進(jìn)程、線程，阻擋在網(wǎng)絡(luò)或者I/O操作方面。切實(shí)根據(jù)應(yīng)用程序的不同，在內(nèi)部與CPU上的使用率都比較低[1]。在生成新進(jìn)程、線程的時(shí)候，需要新的運(yùn)行環(huán)境，其中主要包括堆、棧分配，運(yùn)行上、下文。所以，應(yīng)具備一些額外CPU成本，去創(chuàng)建環(huán)境，太多線程和運(yùn)行上下文不斷切換，會(huì)影響其性能。在應(yīng)用過程中， Apache不能有效面對(duì)高并發(fā)量的請(qǐng)求處理。在這種情況下，盡管服務(wù)器的配置有所增加，并不能帶來顯著成效。而且許多企業(yè)根本沒有能力承擔(dān)服務(wù)器升級(jí)成本，所以，尋求可以代替Apache的方案解決這一現(xiàn)象是非常有必要的[2]。

2Nginx的優(yōu)勢(shì)

（1）可以承受高并發(fā)連接。在一定程度上對(duì)Nginx+php進(jìn)行科學(xué)合理優(yōu)化配置，能夠承受將近3萬以上的并發(fā)連接數(shù)。

（2）內(nèi)存消耗比較少。在應(yīng)用環(huán)境中，單臺(tái)服務(wù)器Nginx+php5處理程序能力，每秒幾乎超出了700次，但是CPU負(fù)載并不是很高。

（3）成本相對(duì)較低。通過開源Nginx進(jìn)行反向代理，以此實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡目標(biāo)，大大節(jié)約購置硬件負(fù)載均衡交換工具的運(yùn)行與維護(hù)成本。

（4）可以進(jìn)行熱部署。而且長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，也不需要重新啟動(dòng)，在持續(xù)服務(wù)的狀態(tài)下，升級(jí)軟件。

3高并發(fā)WEB負(fù)載均衡系統(tǒng)后臺(tái)服務(wù)器架構(gòu)

就正常情況而言，高并發(fā)WEB負(fù)載均衡系統(tǒng)后臺(tái)服務(wù)器架構(gòu)主要?jiǎng)澐殖伤拇蟛糠?，具體見圖1所示。從圖中可知，Nginx具有明顯的優(yōu)勢(shì)，即支持龐大的連接，并確保數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)挠行訹3]。

3.1 Nginx負(fù)載均衡模塊

Nginx負(fù)載均衡模塊是前端服務(wù)器，主要承擔(dān)的責(zé)任是接受客戶端的請(qǐng)求進(jìn)行連接，并發(fā)揮多進(jìn)程模型的作用，有效解決龐大的訪問用戶事務(wù)量，并根據(jù)各種路由措施，把大量用戶請(qǐng)求進(jìn)行均衡，體現(xiàn)到所對(duì)應(yīng)的各種客戶端服務(wù)器上。

3.2 應(yīng)用服務(wù)器邏輯處理模塊

對(duì)所對(duì)應(yīng)的客戶端請(qǐng)求進(jìn)行解析，從中精簡(jiǎn)有效信息，并據(jù)此設(shè)計(jì)具有針對(duì)性的邏輯處理[4]。

3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要?jiǎng)澐譃閮深?，即關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。其中，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫以數(shù)據(jù)信息所對(duì)應(yīng)的實(shí)體模型為依據(jù)，遵守實(shí)體一體化的原則，合理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫表。而非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫則主要儲(chǔ)存的是非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)信息，通過鍵值對(duì)進(jìn)行提取，以此提高讀取效率和速度[5]。

4高并發(fā)WEB負(fù)載均衡算法

高并發(fā)WEB負(fù)載均衡算法，綜合了服務(wù)器的負(fù)載能力和請(qǐng)求時(shí)間。用戶能夠?qū)ω?fù)載均衡的級(jí)別進(jìn)行自定義，等級(jí)高，所選節(jié)點(diǎn)就會(huì)更準(zhǔn)確，但是，選擇時(shí)間比較長(zhǎng)。其一，高并發(fā)WEB負(fù)載均衡算法能夠查詢空閑服務(wù)器是否存在，存在那么就發(fā)送請(qǐng)求到服務(wù)器，不存在則會(huì)對(duì)服務(wù)器的負(fù)載能力、請(qǐng)求時(shí)間間隔、既定時(shí)間內(nèi)服務(wù)器請(qǐng)求失敗的次數(shù)等各種影響因素進(jìn)行綜合考慮，以此優(yōu)化選擇。其中，實(shí)現(xiàn)函數(shù)是ngx_http_upstream_init_fair，nreq為服務(wù)器負(fù)載請(qǐng)求，delta是請(qǐng)求時(shí)間間隔，而評(píng)分宏和負(fù)載請(qǐng)求次數(shù)、失敗次數(shù)之間是負(fù)相關(guān)的關(guān)系，但是和請(qǐng)求間隔、服務(wù)器總負(fù)載能力之間則是正相關(guān)的關(guān)系。所以，負(fù)載請(qǐng)求越少，則越好，在相同的請(qǐng)求次數(shù)下，上次間隔越大，那么分?jǐn)?shù)就會(huì)越好。其二，高并發(fā)WEB負(fù)載均衡算法具備自動(dòng)調(diào)用優(yōu)化功能，在函數(shù)ngx_http_upstream_fair_try_peer中可以實(shí)現(xiàn)，在失敗次數(shù)太多時(shí)，函數(shù)則會(huì)自行進(jìn)行參數(shù)更新，選擇最佳服務(wù)器。服務(wù)器參數(shù)保存到紅黑樹中去，可以確保加載參數(shù)實(shí)現(xiàn)算法的效率[6]，具體流程如圖2。

5結(jié)束語

綜上所述，Nginx具有其自身的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，因此，在高并發(fā)WEB負(fù)載均衡系統(tǒng)中備受青睞。在實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境使用中，利用Nginx能夠有效解決Apache前端請(qǐng)求分發(fā)問題。Nginx彈性擴(kuò)展結(jié)構(gòu)不僅可以應(yīng)用于JAVAEE軟件系統(tǒng)，也適用于PHP、Python等語言實(shí)現(xiàn)的大中型軟件系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳沛，馬衛(wèi)東.一種基于Nginx的負(fù)載均衡算法實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2017，25（19）：19-22.

[2] 劉卓，張向利.基于Nginx的負(fù)載均衡集群設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017（6）：490-493.

[4] 張煒森，陳濤，李康.Nginx高并發(fā)負(fù)載均衡原理與策略比較研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2018（1）：85-86，89.

[5] 徐長(zhǎng)君，林濤.基于Nginx的負(fù)載均衡方式優(yōu)化[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，45（6）：48-52.

[6] 覃川.基于Nginx的Web服務(wù)器負(fù)載均衡策略改進(jìn)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：西南交通大學(xué)，2017.

作者簡(jiǎn)介

李慧穎（1980-），女，北京人;畢業(yè)院校：北京郵電大學(xué)，專業(yè)：軟件工程，學(xué)歷：本科，現(xiàn)就職單位：北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。