深入剖析Nginx负载均衡算法

负载均衡是Nginx的核心应用场景，本文将介绍官方提供的5种负载均衡算法及其实现细节。

Nginx提供的Scalability，主要由复制扩展（AKF X轴）和用户数据扩展（AKF Z轴）组成。所谓复制扩展，是指上游Server进程是完全相同的，因此可以采用最少连接数、Round Robin轮询、随机选择等算法来分发流量。所谓用户数据扩展，是指每个上游Server只处理特定用户的请求，对这种场景Nginx提供了支持权重的哈希算法，以及支持虚拟节点的一致性哈希算法。

当上游集群规模巨大时，我们必须了解这些算法的细节，才能有效地均衡负载。比如，当上游server出错时，Weight权重会动态调整吗？调整策略又是什么？如果算法选出的上游server达到了max_fails限制的失败次数，或者max_conns限制的最大并发连接数，那么又该如何重新选择新路由呢？

再比如，为了减少宕机、扩容时受影响的Key规模，同时让CRC32哈希值分布更均衡，Nginx为每个Weight权重配置了160个虚拟节点，为什么是这个数字？一致性哈希算法执行的时间复杂度又是多少呢？

这一讲我将深入分析Nginx的负载均衡算法，同时围绕ngx_http_upstream_rr_peer_s这个核心数据结构，探讨这些HTTP负载均衡模块到底是怎样工作的。同时，本文也是Nginx开源社区基础培训系列课程第二季，即7月16日晚第2次直播课的文字总结。

RoundRobin权重的实现算法

在Nginx中，上游服务可以通过server指令声明其IP地址或者域名，并通过upstream块指令定义为一组。这一组server中，将使用同一种负载均衡算法，从请求信息（比如HTTP Header或者IP Header）或者上游服务状态（比如TCP并发连接数）中计算出请求的路由：

如果上游服务器是异构的，例如上图中server 1、3、4、5都是2核4G的服务器，而server 2则是8核16G，那么既可以在server 2上部署多个不同的服务，并把它配置到多个usptream组中，也可以通过server指令后的weight选项，设置算法权重：

upstream rrBackend {
                server localhost:8001 weight=1;
                server localhost:8002 weight=2;
                server localhost:8003 weight=3;
}
location /rr {
                proxy_pass http://rrBackend;
}

在上面这段配置指令中，并没有显式指定负载均衡算法，此时将使用Nginx框架唯一自带的RoundRobin轮询算法。顾名思义，它将按照server在upstream配置块中的位置，有序访问上游服务。需要注意，加入weight权重后，Nginx并不会依照字面次序访问上游服务。仍然以上述配置为例，你可能认为Nginx应当这么访问：8001、8002、8002、8003、8003、8003（我在本机上启动了这3个HTTP端口，充当上游server，这样验证成本更低），但事实上，Nginx却是按照这个顺序访问的：8003、8002、8003、8001、8002、8003，为什么会这样呢？实际上这是为了动态权重的实现而设计的。我们先从实现层面谈起。

Nginx为每个server设置了2个访问状态：

struct ngx_http_upstream_rr_peer_s {
	... 
    ngx_int_t                       current_weight;
    ngx_int_t                       effective_weight;
...
};

其中current_weight初始化为0，而effective_weight就是动态权重，它被初始化为server指令后的weight权重。我们先忽略转发失败的场景，此时RoundRobin算法可以简化为4步：

1. 遍历upstream组中的所有server，将current_weight的值增加effective_weight；
2. 将全部的权重值相加得到total；
3. 选择current_weight最大的server；
4. 将这个选中server的current_weight减去total值。

这样，前6次的运算结果就如下表所示：

current_weight	current_weight加effective_weight	total	选中server	current_weight
[0,0,0]	[1,2,3]	6	8003	[1,2,-3]
[1,2,-3]	[2,4,0]	6	8002	[2,-2,0]
[2,-2,0]	[3,0,3]	6	8003	[3,0,-3]
[3,0,-3]	[4,2,0]	6	8001	[-2,2,0]
[-2,2,0]	[-1,4,3]	6	8002	[-1,-2,3]
[-1,-2,3]	[0,0,6]	6	8003	[0,0,0]
[0,0,0]	[1,2,3]	6	8003	[1,2,-3]

由于总权重为6（1+2+3），所以每6次转发后就是一个新的轮回。我再把简化的RoundRobin源代码列在下方，你可以对照理解：

    ngx_http_upstream_rr_peer_t* best = NULL;
    ngx_int_t  total = 0;
    for (peer = rrp->peers->peer, i = 0;
         peer;
         peer = peer->next, i++)
    {
        //在每一轮计算中，current_weight要加上effective_weight
peer->current_weight += peer->effective_weight; 
//total值是所有effective_weight的累加和
        total += peer->effective_weight;
        if (best == NULL || peer->current_weight > best->current_weight) {
            //每一轮找出current_weight最大的那个server
best = peer;
        }
}
//选出server后，要将最大的
    best->current_weight -= total;
    return best;

可以看到，这段代码只做一遍循环就完成了server选择，执行效率很高。

网络错误该如何处理？

在上例中我们假定不会转发失败，所以effective_weight是不变的。但现实中分布式系统出错才是常态，接下来我们看看RoundRobin算法是怎样处理错误的。

在server指令后，可以加入max_fails和fail_timeout选项，它们共同对转发失败的次数加以限制：

1. 在fail_timeout秒内（默认为10秒），每当转发失败，server的权重都会适当调低（通过effective_weight实现）；
2. 如果转发失败次数达到了max_fails次，则接下来的fail_timeout秒内不再向该server转发任何请求；
3. 在等待fail_timeout秒的空窗期后，server将会基于最低权重执行算法，尝试转发请求；
4. 每成功转发1次权重加1，直到恢复至weight配置。

这就是动态权重发挥作用的机制，它不只对RoundRobin算法有效，对于最少连接数、一致性哈希算法同样有效。接下来我们再从实现层面上回顾下这一流程，加深你对动态权重的理解。Nginx为这一功能准备了6个状态变量：

struct ngx_http_upstream_rr_peer_s {
...
    ngx_int_t                       weight;
    time_t                          accessed;
    ngx_uint_t                      max_fails;
    ngx_uint_t                      fails;
    time_t                          checked;
    time_t                          fail_timeout;
...
};

其中，weight、max_fails、fail_timeout都是server指令后的选项，它们是固定不变的。fails是窗口期的转发失败次数，accessed表示最近一次转发失败时间，而checked则是最近一次转发时间（无论成功或者失败）。

这样，当访问上游server失败时，将会把accessed和checked置为当前时间，并将fails次数加1：

peer->fails++;
peer->accessed = now;
peer->checked = now;

如果max_fails功能没有关闭（0表示关闭，默认值是1），就会通过effective_weight适当降低权重：

if (peer->max_fails) {
    peer->effective_weight -= peer->weight / peer->max_fails;
}

当执行负载均衡算法时，如果在fail_timeout秒内连续失败了max_fails次，则不再访问该server：

if (peer->max_fails
    && peer->fails >= peer->max_fails
    && now - peer->checked <= peer->fail_timeout)
{
    continue;
}

在过了fail_timeout秒的空窗期后，一旦算法再次选择了该server，就会将checked重置为当前时间：

if (now - best->checked > best->fail_timeout) {
    best->checked = now;
}

一旦最终转发请求成功，就会通过accessed将fails失败次数清零：

if (peer->accessed < peer->checked) {
    peer->fails = 0;
}

注意，此时effective_weight还需要通过不断的成功来缓慢恢复权重：

if (peer->effective_weight < peer->weight) {
    peer->effective_weight++;
}

RoundRobin算法还能控制并发连接数，你可以通过server指令后的max_conns选项设置（默认为0表示不加限制）。它的实现原理非常简单，这里不再介绍。

可见，RoundRobin算法可以柔性恢复转发错误。如果上游Server进程是复制扩展的（处理的数据相同），那么RoundRobin就是最简单有效的负载均衡算法。

最少连接数与随机选择算法

前文之所以要详尽的介绍RoundRobin权重、错误恢复、并发连接限制等功能，是因为Nginx中几乎所有负载均衡算法，都在一定程度上继承了上述机制。接下来我们分析与RoundRobin极为相似的Least Conn和Random算法，它们皆处理沿AKF X轴扩展的场景。

首先来看Least Conn最少连接数算法。多数场景下，并发TCP连接最少的服务器负载最轻，因此ngx_http_upstream_least_conn_module模块会选择连接最少的server转发请求。只需要在upstream中加入least_conn指令，就可以开启最少连接数算法：

upstream {
	server localhost:8001 weight=1;
	server localhost:8002 weight=2;
	least_conn;
}

它的实现非常简单，在符合max_fails、fail_timeout失败次数约束、max_conns并发连接数约束下，取当前并发连接数与权重相乘后最小的server即可：

     if (best == NULL
         || peer->conns * best->weight < best->conns * peer->weight)
     {
         best = peer;
         many = 0;
     } else if (peer->conns * best->weight == best->conns * peer->weight) {
// many表示存在多个最少连接服务器
         many = 1;
     }

如果存在不只1个的最少连接server，将对这些上游server继续执行RoundRobin算法。

其次，我们再来看Random随机选择算法。如前文所述，RoundRobin轮询算法是有规律的，当我们需要完全随机的访问上游server时，就可以选择Random算法，它的开启方式非常简单，在upstream中加入random指令即可：

upstream rrBackend {
                server localhost:8001 weight=1;
                server localhost:8002 weight=2;
                server localhost:8003 weight=3;
				random;
}

此时，Nginx会建立含有3个元素的有序数组，分别对应3个server，其值为权重的累加值，如下所示：
1：server1 | 3(1+2)：server2 | 6(1+2+3)：server3
——- | ——- | ——-

执行随机算法时，首先取小于total_weight（即6）的随机数：

ngx_uint_t  x = ngx_random() % peers->total_weight; 

接着，基于二分法遍历有序数组，找到下标x对应的上游server：

    ngx_uint_t  i = 0;
    ngx_uint_t  j = peers->number; //number是upstream下的server个数
while (j - i > 1) {  //如果存在超过2个server，才需要执行随机选择
        ngx_uint_t  k = (i + j) / 2;
        if (x < rp->conf->ranges[k].range) {
            j = k;
        } else {
            i = k;
        }
    }
return i;  //返回选中server对应的序号

注意，随机选择出的server很有可能并不满足max_fails、fail_timeout失败次数的约束，或者不满足max_conns并发连接数约束。对于同一个请求，如果连续20次的随机选择都没有找到合适的server，那么Random算法将会退化为RoundRobin算法选择server。

事实上，Random算法还有一个功能，你可以在random指令后添加two least_conn选项，这样算法将会随机找出2个server，再选择并发连接数最少的那1个：

upstream rrBackend {
                server localhost:8001 weight=1;
                server localhost:8002 weight=2;
                server localhost:8003 weight=3;
				random two least_conn;
}

官方提供的RoundRobin、最少连接数、随机选择这3个算法，只适用于无差别的上游服务。当上游server只处理特定范围的请求时，可以使用ip_hash、hash以及hash consistent这三种算法。

哈希算法的问题

复制扩展无法解决数据增长问题，这样当业务增长到某一阶段，以致上游server无法将高频访问数据全部放于内存中时，性能便会一落千丈。Nginx通过ngx_http_upstream_ip_hash_module、ngx_http_upstream_hash_module这两个模块，实现了哈希与一致性哈希算法，它们可以限制每个上游server处理的数据量，以此提升上游server的性能。我们先来看ip_hash算法。

每个IP报文头部都含有源IP地址，它标识了唯一的客户端。因此，将IP地址依据字符串哈希函数转换为32位的整数，再对server总数取模，就可以将客户端与上游server的访问关系固定下来。

它的实现非常简单，包括以下3步：

1. 将IP地址这个字符串转化为哈希值，代码如下所示：

    ngx_uint_t    hash = 89;
    for (i = 0; i < (ngx_uint_t) iphp->addrlen; i++) {
        hash = (hash * 113 + iphp->addr[i]) % 6271;
    }
   

2. 接着，基于所有上游server的权重和，缩小哈希值范围：
   ngx_uint_t w = hash % iphp->rrp.peers->total_weight;

3. 最后，通过遍历所有server的权重，选取上游server：

   while (w >= peer->weight) {
       w -= peer->weight;
       peer = peer->next;
   }

   可见，相对于采用二分查找的Random算法，古老的ip_hash性能有所下降（时间复杂度从O(logN)降到O(N)），在server非常多时性能不够理想。

实际上，ip_hash还有一个很糟糕的问题，就是对于IPv4地址，它会忽略最后1个字节的值。比如若IP地址为AAA.BBB.CCC.DDD，那么ip_hash只会使用AAA.BBB.CCC来求取哈希值，相关代码如下所示：

case AF_INET:
    sin = (struct sockaddr_in *) r->connection->sockaddr;
    iphp->addr = (u_char *) &sin->sin_addr.s_addr;
    iphp->addrlen = 3;
    break;

对于后出现的IPv6地址，将会使用全部16个字节的地址。为了向前兼容，ip_hash模块很难修改掉IPv4地址的这个Bug。此时，你可以使用更新的hash指令来解决，它可以对Nginx变量（也接受变量与字符串的组合）取哈希值：

upstream {
	server A;
	server B;
	hash $remote_addr;
}

hash模块会使用CRC32函数，对变量求出32位的哈希值，之后执行与ip_hash相同的算法。

哈希算法最大的问题在于，当server数量、权重发生变化时，映射函数就会变化，很容易导致映射关系大幅变动。比如，当上游server数量为5时，关键字与上游server的映射如下所示：

一旦server4宕机，这5个关键字的映射关系就会全部变动：

如果上游server为数据建立了缓存，那么此时会导致这5个关键字对应的缓存全部失效。

一致性哈希算法是怎样实现的？

一致性哈希算法将哈希算法中的函数映射，改为32位数字构成的环映射，大幅降低了server变动时受影响的关键字数量。如下图所示，Nginx将关键字（hash指令后的变量）基于CRC32函数转换为无符号的32位整数，其中232与0相接构成了一个环：

这样，3个server将会基于weight权重，各自负责环中的一段弧线，划分了处理关键字的范围。当扩容或者宕机时，只会影响相邻server节点上的关键字。

当然，这样还是有2个问题：

1. 当节点1宕机时，它负责的所有请求都被映射到了节点2，这样节点2可能会抗不住压力继续宕机，进而引发雪崩效应。扩容时也一样，当增加节点3时，只是分流了节点2上的请求，这对节点0、节点1完全没有帮助。
2. 如果server只是基于权重划分哈希环，那么很难保证全部关键字均衡地落进每个server上。

解决这2个问题的方案，就是在哈希环上，增加一层二次映射的虚拟节点环。这样，二次哈希既可以让数据分布更均衡，也可以由全体server共同分担宕机压力，享受扩容带来的收益。

虚拟节点数量越多，分布会越均衡。然而，在有序的哈希环上选择server，最快的方法也只是二分查找法，它的时间复杂度是O(logN)，因此，虚拟节点数还是得控制在一个范围内。通常，每个真实节点对应的虚拟节点数在100到200之间，而Nginx选择为每个权重分配160个虚拟节点。

下面我们看下Nginx是如何实现一致性哈希算法的。对于哈希环上的每个虚拟节点，Nginx都会分配1个ngx_http_upstream_chash_point_t结构体表示：

typedef struct {
    uint32_t                            hash;
    ngx_str_t                          *server;
} ngx_http_upstream_chash_point_t;

其中，hash是二次哈希映射后的值，server则指向真实的上游服务。这些虚拟节点环会以数组的形式放在ngx_http_upstream_chash_points_t结构体中：

typedef struct {
    ngx_uint_t                          number;
    ngx_http_upstream_chash_point_t     point[1];
} ngx_http_upstream_chash_points_t;

其中，number成员保存了虚拟节点的总数量，而point则是虚拟节点环的首地址。

构建虚拟节点环的初始化代码如下所示：

     ngx_uint_t	npoints = peer->weight * 160; //每个权重赋予160个虚拟节点
     for (ngx_uint_t j = 0; j < npoints; j++) {
         hash = base_hash; //基于上游server的IP、端口进行首次哈希
//基于相同的算法执行二次哈希
         ngx_crc32_update(&hash, prev_hash.byte, 4);
         ngx_crc32_final(hash);
//将二次哈希值放入ngx_http_upstream_chash_point_t环中
         points->point[points->number].hash = hash;
         points->point[points->number].server = server;
         points->number++;
         prev_hash.value = hash;
     }

当用户请求到达时，会首先基于Nginx变量生成CRC32哈希值，接着采用二分查找法，在O(logN)时间复杂度下找到对应的真实server：

ngx_http_upstream_chash_point_t  * point = &points->point[0]; //环上第1个虚拟节点
ngx_uint_t i = 0;
ngx_uint_t j = points->number;
while (i < j) {    //以二分法检索虚拟节点
    ngx_uint_t k = (i + j) / 2;   
    if (hash > point[k].hash) {
        i = k + 1;
    } else if (hash < point[k].hash) {
        j = k;
    } else {
        return k;	//返回哈希环中对应虚拟节点的下标
    }
}
return i;

如果选出的server由于失败次数、并发连接数达到限制后，将会采用闭散列函数的方案，尝试选择相邻哈希桶上的server。另外，如果连续选出的20个server都不能使用，一致性哈希算法将会回退到RoundRobin算法。

小结

最后对本文内容做个总结。

为异构服务器设置Weight权重后，Nginx还为转发失败提供了动态权重功能。其中，每失败1次，动态权重会下降weight/max_fails，在fail_timeout时间窗口内失败次数达到max_fails后，server将会冷却fail_timeout秒，之后权重会缓慢恢复。动态权重对于RoundRobin、一致性哈希、最少连接数算法都有效。

当哈希、随机选择算法连续20次计算出的server都不可用，它们会退化为RoundRobin算法。当一致性哈希算法计算出的server不可用时，则会顺序向后寻找相邻哈希桶上的server。同样连续20次失败后，也会退化为RoundRobin算法。因此，理解Nginx框架自带的RoundRobin算法，对于学习负载均衡算法至关重要。

Nginx为一致性哈希算法上的每个权重分配了160个虚拟节点，这个数字既照顾到了分布均衡性及流量压力的分散，也照顾到了算法的执行效率，毕竟二分查找法的时间复杂度是O(logN)。

下一篇，我们将讨论Nginx如何向客户端隐藏应用层错误。