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标题: Nginx 高性能架构解析 [打印本页]

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作者: 傲渊山岳    时间: 2024-7-10 08:32
标题: Nginx 高性能架构解析

本文详细探讨了Nginx的反向署理、负载平衡和性能优化技能，包括设置优化、体系优化、缓存机制和高并发处置惩罚策略，旨在帮助专业从业者深入理解并有效应用Nginx。

关注TechLead，复旦博士，分享云服务领域全维度开发技能。拥有10+年互联网服务架构、AI产物研发经验、团队管理经验，复旦机器人智能实验室成员，国家级大学生赛事评审专家，发表多篇SCI核心期刊学术论文，阿里云认证的资深架构师，上亿营收AI产物研发负责人。

1. Nginx简介与核心架构

1.1 Nginx简介

Nginx (engine x) 是一个高性能的 HTTP 和反向署理服务器，也是一个 IMAP/POP3/SMTP 邮件署理服务器。由 Igor Sysoev 于2004年初次发布，其设计目标是办理 C10K 问题，即在一台服务器上同时处置惩罚一万个并发连接。Nginx 以其高并发处置惩罚能力、低资源消耗和模块化设计而闻名，广泛应用于 Web 服务器、反向署理、负载平衡等场景。
1.1.1 主要特性

• 高并发处置惩罚能力：Nginx 使用异步、非阻塞事件驱动架构，能够高效地处置惩罚大量并发连接。
  
• 低资源消耗：相对于传统的进程或线程模子，Nginx 使用更少的内存和 CPU 资源。
  
• 模块化设计：Nginx 的功能通过模块实现，用户可以根据需求加载差异的模块。
  
• 高可扩展性：通过第三方模块和 Lua 脚本，Nginx 能够轻松扩展其功能。
  
• 丰富的功能：支持 HTTP/2、反向署理、负载平衡、缓存、SSL/TLS、WebSocket 等。
  

1.2 核心架构

Nginx 的核心架构设计是其高性能和高可用性的关键。核心架构包括模块化设计、事件驱动模子、Master-Worker 进程模子和高效的请求处置惩罚流程。
1.2.1 模块化设计

Nginx 接纳模块化设计，核心功能和扩展功能都通过模块实现。模块分为核心模块、尺度 HTTP 模块和第三方模块。用户可以根据需要启用或禁用模块，机动设置 Nginx 的功能。

• 核心模块：实现 Nginx 的基本功能，如事件处置惩罚、内存管理、设置解析等。
  
• 尺度 HTTP 模块：提供 HTTP 服务的功能，如静态文件服务、反向署理、负载平衡等。
  
• 第三方模块：由社区或开发者提供，扩展 Nginx 的功能，如 Lua 模块、Redis 模块等。
  

1. # 配置示例：启用和配置 HTTP 模块
2. http {
3.     server {
4.         listen 80;
5.         server_name example.com;
6.         
7.         location / {
8.             root /var/www/html;
9.             index index.html index.htm;
10.         }
11.         
12.         location /proxy {
13.             proxy_pass http://backend_server;
14.         }
15.     }
16. }

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1.2.2 事件驱动模子

Nginx 使用异步、非阻塞事件驱动模子，能够高效地处置惩罚并发连接。事件驱动模子基于 epoll（Linux）、kqueue（FreeBSD）等高效的 I/O 多路复用机制，实现事件的高效分发和处置惩罚。

• 异步非阻塞：全部 I/O 操作都通过事件通知机制完成，不会阻塞进程。
  
• 高效的事件分发：通过 epoll、kqueue 等机制，Nginx 能够快速分发和处置惩罚大量并发连接的事件。
  

1. // 示例：基于 epoll 的事件循环
2. for (;;) {
3.     int n = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, -1);
4.     for (int i = 0; i < n; i++) {
5.         if (events[i].events & EPOLLIN) {
6.             // 处理读事件
7.         } else if (events[i].events & EPOLLOUT) {
8.             // 处理写事件
9.         }
10.     }
11. }

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1.2.3 Master-Worker 进程模子

Nginx 接纳 Master-Worker 进程模子，确保高并发处置惩罚能力和高可靠性。Master 进程负责管理 Worker 进程，处置惩罚信号和管理共享资源。Worker 进程处置惩罚现实的请求，互不干扰，进步了并发处置惩罚能力和稳固性。

• Master 进程：启动、克制 Worker 进程，处置惩罚信号（如重新加载设置），管理共享资源（如缓存）。
  
• Worker 进程：处置惩罚客户端请求，每个 Worker 进程独立处置惩罚差异的连接，克制相互影响。
  

1. # 配置示例：设置 Worker 进程数量
2. worker_processes auto;
4. events {
5.     worker_connections 1024;
6. }

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1.2.4 请求处置惩罚流程

Nginx 的请求处置惩罚流程高度优化，能够高效地处置惩罚 HTTP 请求。主要流程包括吸收请求、解析请求、选择处置惩罚模块、生成响应和发送响应。

• 吸收请求：通过事件驱动模子吸收客户端请求。
  
• 解析请求：解析 HTTP 请求头，生成请求上下文。
  
• 选择处置惩罚模块：根据设置选择相应的模块处置惩罚请求，如静态文件服务、反向署理等。
  
• 生成响应：调用处置惩罚模块生成响应数据。
  
• 发送响应：通过事件驱动模子发送响应给客户端。
  

1. # 配置示例：静态文件服务和反向代理
2. http {
3.     server {
4.         listen 80;
5.         server_name example.com;
7.         location / {
8.             root /var/www/html;
9.             index index.html index.htm;
10.         }
12.         location /proxy {
13.             proxy_pass http://backend_server;
14.         }
15.     }
16. }

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2. Nginx反向署理与负载平衡

2.1 反向署理底子

反向署理服务器在客户端和服务器之间充当中介，吸收客户端的请求并将其转发给后端服务器，然后将后端服务器的响应返回给客户端。Nginx 作为反向署理服务器的优势在于其高并发处置惩罚能力、机动的设置和丰富的功能。
2.1.1 反向署理的优势

• 隐藏后端服务器：反向署理隐藏了后端服务器的真实 IP 和端口，提升了安全性。
  
• 负载平衡：反向署理可以将请求分发到多台后端服务器，实现负载平衡。
  
• 缓存：反向署理服务器可以缓存后端服务器的响应，淘汰后端服务器的压力，进步响应速度。
  
• SSL 终止：反向署理服务器可以处置惩罚 SSL/TLS 加密，减轻后端服务器的负担。
  

2.1.2 反向署理设置示例

1. http {
2.     upstream backend {
3.         server backend1.example.com;
4.         server backend2.example.com;
5.     }
7.     server {
8.         listen 80;
9.         server_name example.com;
11.         location / {
12.             proxy_pass http://backend;
13.             proxy_set_header Host $host;
14.             proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;
15.             proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;
16.             proxy_set_header X-Forwarded-Proto $scheme;
17.         }
18.     }
19. }

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2.2 负载平衡策略

Nginx 支持多种负载平衡策略，能够根据差异的需求选择符合的策略将请求分发到后端服务器。
2.2.1 轮询 (Round Robin)

轮询是 Nginx 的默认负载平衡策略，将请求依次分发到每台后端服务器。该策略简单高效，适用于后端服务器性能平衡的情况。

1. upstream backend {
2.     server backend1.example.com;
3.     server backend2.example.com;
4. }

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2.2.2 最少连接 (Least Connections)

最少连接策略将请求分发到当前运动连接数最少的服务器，适用于后端服务器性能不平衡的情况。

1. upstream backend {
2.     least_conn;
3.     server backend1.example.com;
4.     server backend2.example.com;
5. }

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2.2.3 IP 哈希 (IP Hash)

IP 哈希策略根据客户端 IP 计算哈希值，将同一客户端的请求分发到同一台服务器，适用于需要会话保持的场景。

1. upstream backend {
2.     ip_hash;
3.     server backend1.example.com;
4.     server backend2.example.com;
5. }

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2.2.4 权重 (Weight)

权重策略为每台服务器设置权重，权重越高，服务器吸收到的请求越多，适用于后端服务器性能不平衡且需要手动调整分配比例的情况。

1. upstream backend {
2.     server backend1.example.com weight=3;
3.     server backend2.example.com weight=1;
4. }

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2.3 设置实例

下面提供几个反向署理和负载平衡的现实设置示例，以帮助理解和应用这些概念。
2.3.1 基本反向署理设置

1. server {
2.     listen 80;
3.     server_name example.com;
5.     location / {
6.         proxy_pass http://backend1.example.com;
7.         proxy_set_header Host $host;
8.         proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;
9.         proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;
10.         proxy_set_header X-Forwarded-Proto $scheme;
11.     }
12. }

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2.3.2 动静分离设置

动静分离是指将动态请求和静态请求分别处置惩罚，以进步效率。Nginx 可以将静态文件请求直接由 Nginx 处置惩罚，而将动态请求转发给后端服务器。

1. server {
2.     listen 80;
3.     server_name example.com;
5.     location / {
6.         proxy_pass http://backend1.example.com;
7.         proxy_set_header Host $host;
8.         proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;
9.         proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;
10.         proxy_set_header X-Forwarded-Proto $scheme;
11.     }
13.     location /static/ {
14.         root /var/www/html;
15.         expires 30d;
16.     }
17. }

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2.3.3 负载平衡设置

1. upstream backend {
2.     server backend1.example.com;
3.     server backend2.example.com;
4. }server {    listen 80;    server_name example.com;    location / {        proxy_pass http://backend;        proxy_set_header Host $host;        proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;        proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;        proxy_set_header X-Forwarded-Proto $scheme;    }}

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2.4 康健查抄

Nginx 还可以对后端服务器进行康健查抄，确保请求不会分发到不可用的服务器。通过设置 ngx_http_upstream_module 模块，可以实现简单的康健查抄功能。

1. upstream backend {
2.     server backend1.example.com;
3.     server backend2.example.com;
4.     server backend3.example.com down;
5. }
7. server {
8.     listen 80;
9.     server_name example.com;
11.     location / {
12.         proxy_pass http://backend;
13.     }
14. }

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在此设置中，backend3.example.com 被标记为 down，Nginx 将不会将请求分发到这台服务器。更高级的康健查抄可以通过第三方模块如 ngx_http_upstream_check_module 实现。
2.5 高级反向署理设置

2.5.1 缓存设置

Nginx 可以作为缓存服务器，通过缓存后端服务器的响应，淘汰后端服务器的负担，提升响应速度。

1. proxy_cache_path /data/nginx/cache levels=1:2 keys_zone=my_cache:10m max_size=10g inactive=60m use_temp_path=off;
3. server {
4.     listen 80;
5.     server_name example.com;
7.     location / {
8.         proxy_cache my_cache;
9.         proxy_pass http://backend;
10.         proxy_set_header Host $host;
11.         proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;
12.         proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;
13.         proxy_set_header X-Forwarded-Proto $scheme;
14.     }
15. }

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2.5.2 SSL 终止

Nginx 可以处置惩罚 SSL/TLS 加密，解密客户端请求后将其转发给后端服务器，减轻后端服务器的加密负担。

1. server {
2.     listen 443 ssl;
3.     server_name example.com;
5.     ssl_certificate /etc/nginx/ssl/nginx.crt;
6.     ssl_certificate_key /etc/nginx/ssl/nginx.key;
8.     location / {
9.         proxy_pass http://backend;
10.         proxy_set_header Host $host;
11.         proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;
12.         proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;
13.         proxy_set_header X-Forwarded-Proto $scheme;
14.     }
15. }

复制代码

3. Nginx性能优化

Nginx 以其高性能和高并发处置惩罚能力著称，但在现实应用中，合理的性能优化策略仍能明显提升其性能。本文将详细探讨 Nginx 的性能优化方法，包括设置优化、体系优化、缓存机制和高并发优化。
3.1 设置优化

Nginx 的设置对其性能有着至关紧张的影响。合理的设置可以淘汰资源消耗，进步处置惩罚效率。
3.1.1 Worker 进程设置

Nginx 的 worker_processes 参数决定了处置惩罚请求的工作进程数量。一般建议将其设置为等于服务器的 CPU 核心数，以充分利用多核 CPU 的并行处置惩罚能力。

1. worker_processes auto;

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auto 表示自动检测 CPU 核心数，并设置相应数量的工作进程。
3.1.2 Worker 连接数设置

worker_connections 参数决定了每个工作进程可以处置惩罚的最大连接数。为了进步并发处置惩罚能力，建议将其设置为尽大概大的值。

1. events {
2.     worker_connections 1024;
3. }

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这个设置表示每个工作进程最多可以处置惩罚 1024 个并发连接。
3.1.3 缓存设置

Nginx 提供多种缓存机制，可以缓存后端服务器的响应，淘汰后端服务器的压力，进步响应速度。常用的缓存机制包括 FastCGI 缓存和署理缓存。

1. proxy_cache_path /data/nginx/cache levels=1:2 keys_zone=my_cache:10m max_size=10g inactive=60m use_temp_path=off;
3. server {
4.     listen 80;
5.     server_name example.com;
7.     location / {
8.         proxy_cache my_cache;
9.         proxy_pass http://backend;
10.         proxy_set_header Host $host;
11.         proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;
12.         proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;
13.         proxy_set_header X-Forwarded-Proto $scheme;
14.     }
15. }

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这个设置创建了一个缓存区域 my_cache，并在反向署理时启用了缓存。
3.2 体系优化

除了 Nginx 的设置优化，对操作体系的优化也能明显进步 Nginx 的性能。
3.2.1 文件形貌符限制

Nginx 处置惩罚大量并发连接时，需要打开大量的文件形貌符。默认的文件形貌符限制大概不足，需通过修改体系设置进步限制。

1. # 临时修改
2. ulimit -n 65535
4. # 永久修改，编辑 /etc/security/limits.conf
5. * soft nofile 65535
6. * hard nofile 65535

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3.2.2 TCP 连接优化

调整 TCP 连接参数，可以淘汰网络延迟，进步并发处置惩罚能力。

1. # 调整内核参数，编辑 /etc/sysctl.conf
2. net.core.somaxconn = 65535
3. net.core.netdev_max_backlog = 65535
4. net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 65535
5. net.ipv4.ip_local_port_range = 1024 65535
6. net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1
7. net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30
9. # 应用配置
10. sysctl -p

复制代码

3.3 缓存机制

缓存是提升 Nginx 性能的紧张手段。通过缓存机制，Nginx 可以将后端服务器的响应存储在本地，淘汰后端服务器的负载。
3.3.1 FastCGI 缓存

FastCGI 缓存用于缓存 FastCGI 应用步伐的响应，比方 PHP。

1. fastcgi_cache_path /var/cache/nginx levels=1:2 keys_zone=fastcgi_cache:10m inactive=60m;
2. fastcgi_cache_key "$scheme$request_method$host$request_uri";
4. server {
5.     location ~ \.php$ {
6.         fastcgi_pass unix:/var/run/php/php7.4-fpm.sock;
7.         fastcgi_index index.php;
8.         include fastcgi_params;
10.         fastcgi_cache fastcgi_cache;
11.         fastcgi_cache_valid 200 60m;
12.         fastcgi_cache_use_stale error timeout invalid_header updating;
13.     }
14. }

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3.3.2 署理缓存

署理缓存用于缓存反向署理的响应，淘汰后端服务器的负载。

1. proxy_cache_path /data/nginx/cache levels=1:2 keys_zone=my_cache:10m max_size=10g inactive=60m use_temp_path=off;
3. server {
4.     location / {
5.         proxy_cache my_cache;
6.         proxy_pass http://backend;
7.         proxy_set_header Host $host;
8.         proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;
9.         proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;
10.         proxy_set_header X-Forwarded-Proto $scheme;
11.     }
12. }

复制代码

3.4 高并发优化

Nginx 在处置惩罚高并发连接时，通过异步非阻塞的事件驱动模子，能够高效地处置惩罚大量并发连接。以下是一些针对高并发场景的优化策略。
3.4.1 启用 keepalive

keepalive 可以保持客户端和服务器之间的连接，进步连接重用率，淘汰连接创建和释放的开销。

1. upstream backend {
2.     server backend1.example.com;
3.     server backend2.example.com;
4.     keepalive 32;
5. }
7. server {
8.     location / {
9.         proxy_pass http://backend;
10.         proxy_http_version 1.1;
11.         proxy_set_header Connection "";
12.     }
13. }

复制代码

3.4.2 调整缓冲区大小

调整 Nginx 的缓冲区大小，可以进步大文件传输的效率，淘汰内存碎片。

1. http {
2.     server {
3.         client_body_buffer_size 16K;
4.         client_header_buffer_size 1k;
5.         large_client_header_buffers 4 16k;
6.         output_buffers 1 32k;
7.         postpone_output 1460;
8.     }
9. }

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3.4.3 启用 Gzip 压缩

启用 Gzip 压缩，可以淘汰传输的数据量，进步响应速度。

1. http {
2.     gzip on;
3.     gzip_types text/plain application/xml;
4.     gzip_min_length 1000;
5.     gzip_comp_level 5;
6. }

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