Nginx

Nginx是什么

Nginx是一个高性能的 HTTP 和反向代理服务器，特点是占用内存少，并发能力强，事实上Nginx的并发能力确实在同类型的网页服务器中表现较好。

Nginx 专为性能优化而开发，性能是其最重要的要求，十分注重效率，有报告 Nginx 能支持高达 50000 个并发连接数

Nginx的功能

• 正向代理

  正向代理：局域网中的电脑用户想要直接访问网络是不可行的，只能通过代理服务器来访问，这种代理服务就被称为正向代理。

• 反向代理

  反向代理：客户端无法感知代理，因为客户端访问网络不需要配置，只要把请求发送到反向代理服务器，由反向代理服务器去选择目标服务器获取数据，然后再返回到客户端。

  客户端通过Nginx来透明的调用后台服务器，Nginx来选择具体的Worker

• 负载均衡

  当Nginx反向代理了多个同类型实例的时候，选择一个可以最大化并发量或者效率的服务器调用方式，来将请求路由到对应的Worker上，就是负载均衡

• 动静分离

  根据用户请求的区别，将动态页面和静态页面的处理交给不同的服务器，加快解析的速度，降低单个服务器路由的压力。

• 高可用

Nginx 的配置文件

user  nginx; # 定义 Nginx 运行的用户和用户组。
worker_processes  auto; # 指定 worker 进程的数量，通常设置为 CPU 核心数

error_log  /var/log/nginx/error.log warn; # 定义全局错误日志文件的位置和级别。
pid        /var/run/nginx.pid; # 设置存储 Nginx 进程 ID 的文件路径。

events { # events 块: 影响 Nginx 服务器与用户的网络连接，常用的设置包括是否开启对多 workprocess 下的网络连接进行序列化，是否允许同时接收多个网络连接等等。
    worker_connections  1024; # 支持的最大连接数
}

http { # HTTP 配置块（HTTP block）：控制 HTTP 服务的全局设置。诸如反向代理和负载均衡都在此配置
    include       /etc/nginx/mime.types; # include：引入其他配置文件，如虚拟主机配置。
    default_type  application/octet-stream; # default_type：设置默认的 MIME 类型。

    log_format  main  '$remote_addr - $remote_user [$time_local] "$request" ' # log_format：自定义日志格式
                      '$status $body_bytes_sent "$http_referer" '
                      '"$http_user_agent" "$http_x_forwarded_for"';

    access_log  /var/log/nginx/access.log  main;

    sendfile        on; # sendfile：启用或禁用 sendfile() 系统调用以优化传输性能。是否启用 零拷贝
    tcp_nopush     on;

    keepalive_timeout  65; # keepalive_timeout：设置长连接的超时时间。

    gzip  on; # 启用 gzip 压缩来减少传输内容的大小。
    gzip_types text/css application/javascript;

    include /etc/nginx/conf.d/*.conf;

    server { # Server 块用于配置虚拟主机，每个 Server 块表示一个独立的站点。通常，Server 块包含域名绑定、监听端口等。
        listen       80 default_server; # listen：指定监听的端口。
        listen       [::]:80 default_server;
        server_name  _; # server_name：指定处理的域名。相同的IP和端口和用来代理不同的服务，就是根据域名做的区分
        root         /usr/share/nginx/html; # root：定义站点的根目录。
        
        # SSL/TLS 配置 为站点启用 HTTPS 支持。
        ssl_certificate /etc/ssl/certs/example.com.crt;
   	 	ssl_certificate_key /etc/ssl/private/example.com.key;
        
        index index.html index.htm; # index：指定默认访问的文件。
        
        access_log /var/log/nginx/example_access.log; # access_log 和 error_log：指定访问日志和错误日志的路径。
	    error_log /var/log/nginx/example_error.log;

        # Load configuration files for the default server block.
        include /etc/nginx/conf.d/*.conf;
        
        # 通过 upstream 块定义后端服务器的集合（即一组服务器），然后通过 proxy_pass 指令将客户端请求转发到这些服务器。
        upstream backend_servers {
        	# 负载均衡算法
        	
        	# 轮询（Round Robin）（默认算法） 轮询是 Nginx 的默认算法，轮流将请求分配给每个服务器。
        	server backend1.example.com;
        	server backend2.example.com;
        	server backend3.example.com;
        	
         	# 最少连接数（Least Connections） 最少连接算法将请求分配给当前连接最少的服务器，适合于请求处理时间差异较大的场景。
        	least_conn;
        	server backend1.example.com;
        	server backend2.example.com;
        	server backend3.example.com;
        	
        	# IP 哈希（IP Hash） IP Hash 算法基于客户端 IP 地址的哈希值，将相同 IP 地址的请求始终分配到同一台服务器。它适合于会话保持（如状态性会话）场景。
        	ip_hash;
        	server backend1.example.com;
        	server backend2.example.com;
        	server backend3.example.com;
        	
        	# 加权轮询（Weighted Round Robin） 通过为每个服务器分配权重，可以让负载更高的服务器处理更多的请求。权重越高，分配的请求越多。
        	server backend1.example.com weight=3;
    		server backend2.example.com weight=1;
    		server backend3.example.com weight=1;
        
        	# 健康检查: Nginx 支持对后端服务器进行健康检查，可以自动将健康状况不佳的服务器从负载均衡池中剔除，以保证请求只会发往正常运行的服务器。
        	# max_fails：指定服务器在被临时标记为不可用之前，允许失败的最大次数。
        	# fail_timeout：指定在 fail_timeout 时间内失败的次数达到 max_fails 后，服务器会被标记为不可用，并且在该时间内不会再向其发送请求
   	 		server backend1.example.com max_fails=3 fail_timeout=30s;
    		server backend2.example.com;
    		server backend3.example.com;
        
        	# 在某些应用中（如带有用户登录的应用），需要确保同一用户的请求总是分发到同一个服务器（会话保持）。可以使用第三方模块如 nginx-sticky-module 实现。
    		sticky;
   		 	server backend1.example.com;
    		server backend2.example.com;
    		server backend3.example.com;
       	
   	 	}
		
        # Location 块用于匹配 URL 路径，并针对不同路径设置不同的处理规则。
        
        # location：匹配请求的路径，可以使用正则表达式或普通路径匹配。
        location / {  
    		try_files $uri $uri/ =404;
		}
		location /images/ {
   			 root /data;
		}
        # proxy_pass：配置反向代理，转发请求到其他服务器。
        location /api/ {
    		proxy_pass http://backend_server;
        	# 传递客户端的真实 IP
        	proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;

        	# 传递 X-Forwarded-For 头信息（包含客户端和之前代理服务器的 IP）
        	proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;

        	# 传递原始主机名
        	proxy_set_header Host $host;

        	# 传递客户端使用的协议（http 或 https）
        	proxy_set_header X-Forwarded-Proto $scheme;
        
        	# 超时设置 在负载均衡的过程中，可以设置连接超时和响应超时，防止后端服务器响应过慢或无法响应的问题：
        	proxy_connect_timeout 5s;
			proxy_read_timeout 60s;
			proxy_send_timeout 60s;

		}
        
        # rewrite：重写 URL。
        location /rewrite/ {
    		rewrite ^/old/(.*)$ /new/$1 permanent;
		}
		
        # 
        error_page 404 /404.html;
            location = /40x.html {
        }

        error_page 500 502 503 504 /50x.html;
            location = /50x.html {
        }
    }
        
        # 缓存设置 可以在 Nginx 服务器端启用缓存，以减轻后端服务器的压力：
        proxy_cache_path /data/nginx/cache levels=1:2 keys_zone=my_cache:10m max_size=10g inactive=60m;

        server {
            location / {
                proxy_cache my_cache;
                proxy_pass http://backend_servers;
                proxy_cache_valid 200 302 10m;
                proxy_cache_valid 404 1m;
            }
        }
        
        # 限流配置 Nginx 可以对进入的请求进行限流，防止流量过载：
        limit_req_zone $binary_remote_addr zone=one:10m rate=1r/s;

        server {
            location /api/ {
                limit_req zone=one burst=5 nodelay;
                proxy_pass http://backend_servers;
            }
        }

}
        

Nginx自带的变量

变量名称	描述
$remote_addr	客户端的 IP 地址。
$remote_port	客户端的端口号。
$remote_user	客户端的用户名（如果 HTTP 基本认证通过）。
$http_user_agent	客户端请求中的 User-Agent。
$http_cookie	客户端请求中的 Cookie 值。
$server_addr	服务器的 IP 地址。
$server_name	请求中匹配的 server_name。
$server_port	服务器的端口号。
$hostname	Nginx 服务器的主机名。
$request_uri	完整的原始请求 URI，包含查询字符串。
$uri	去掉查询字符串的 URI，可以被内部重定向修改。
$document_uri	与 $uri 相同，不能被内部重定向修改。
$document_root	请求的根目录，通常由 root 或 alias 指定。
$realpath_root	文件系统中真实的路径，解析符号链接后的值。
$query_string	请求 URL 中的查询字符串部分。
$args	与 $query_string 相同。
$request_method	请求方法（如 GET、POST 等）。
$scheme	请求使用的协议（http 或 https）。
$is_args	如果有查询字符串则为 ?，否则为空字符串。
$request	请求行的完整内容，如 GET /index.html HTTP/1.1。
$request_length	请求的总大小，包括请求行、头部和请求体。
**$http_* **	代表客户端请求中的任意 HTTP 头部，如 $http_host、$http_referer。
$proxy_add_x_forwarded_for	客户端的 IP 和 X-Forwarded-For 头的组合。
$proxy_host	代理服务器的主机名。
$proxy_port	代理服务器的端口号。
$upstream_addr	实际处理请求的上游服务器的地址。
$upstream_response_time	上游服务器的响应时间。
$status	HTTP 响应的状态码。
$bytes_sent	发送给客户端的总字节数。
$body_bytes_sent	响应体的字节数，不包括头部。
**$sent_http_* **	响应中的 HTTP 头部，如 $sent_http_content_type。
$connection	当前连接的序列号。
$connection_requests	当前连接处理的请求数。
$nginx_version	Nginx 的版本号。
$request_filename	当前请求对应的文件路径。
$document_root	当前请求的根目录路径。
$realpath_root	解析符号链接后的实际根目录路径。
$time_local	本地时间，格式如 04/Jul/2024:15:45:10 +0800。
$time_iso8601	ISO 8601 格式的时间，如 2024-07-04T15:45:10+08:00。
$ssl_protocol	SSL/TLS 协议版本。
$ssl_cipher	SSL/TLS 使用的加密算法。
$ssl_client_cert	客户端证书的完整内容（PEM 编码）。
$ssl_client_fingerprint	客户端证书的 SHA1 指纹。
$limit_rate	限制传输速率，单位为字节/秒。
$pid	Nginx 进程的 PID。

Location与正则

location[ = | ~ | ~* | ^~] url{}

location 指令说明，该语法用来匹配 url，语法如上：

• =：用于不含正则表达式的 url 前，要求字符串与 url 严格匹配，匹配成功就停止向下搜索并处理请求。
• ~：用于表示 url 包含正则表达式，并且区分大小写。
• **~*：**用于表示 url 包含正则表达式，并且不区分大小写。
• ^~：用于不含正则表达式的 url 前，要求 Nginx 服务器找到表示 url 和字符串匹配度最高的 location 后，立即使用此 location 处理请求，而不再匹配。
• 如果有 url 包含正则表达式，不需要有 ~ 开头标识。

Nginx的高可用

Nginx 高可用的核心要素

1. 负载均衡：将流量分发到多个后端服务器，从而避免单个服务器的瓶颈或宕机影响整体系统的可用性。
2. 故障转移（Failover）：当一台服务器不可用时，流量自动转移到另一台健康的服务器，确保服务不中断。
3. 无状态架构：通过会话保持、共享存储等技术，确保服务的可扩展性和高可用性。
4. 集群化部署：多个 Nginx 实例协同工作，提高冗余和容错能力。

Nginx 高可用的实现方式

1. 使用 Keepalived 实现主备切换（Master-Slave Failover）

Keepalived 是一个常用于实现高可用性服务的工具。它通过虚拟 IP（VIP）的方式实现主备 Nginx 节点之间的自动切换。当主 Nginx 宕机时，备份节点会自动接管 VIP 并继续提供服务。

架构示例：

• 两台 Nginx 服务器（主 Nginx 和备份 Nginx）配置了 Keepalived 进行主备切换。
• 一个虚拟 IP（VIP）用于接收客户端请求，VIP 会根据 Keepalived 的状态漂移到不同的服务器。
• 当主 Nginx 服务器宕机时，Keepalived 自动将 VIP 转移到备 Nginx 服务器，客户端请求无感知切换。

基本配置：

/etc/keepalived/keepalived.conf

Keepalived 配置（主服务器）：

vrrp_instance VI_1 {
    state MASTER
    interface eth0
    virtual_router_id 51
    priority 100
    advert_int 1
    virtual_ipaddress {
        192.168.0.100
    }
    track_script {
        chk_nginx
    }
}

Keepalived 配置（备份服务器）

vrrp_instance VI_1 {
    state BACKUP
    interface eth0
    virtual_router_id 51
    priority 90
    advert_int 1
    virtual_ipaddress {
        192.168.0.100
    }
    track_script {
        chk_nginx
    }
}

Nginx 高可用的架构图示

+-------------------------+           +-------------------------+
|       Client Requests    |           |       Client Requests    |
+-------------------------+           +-------------------------+
           |                                      |
           v                                      v
+------------------+                 +------------------+
|    VIP (Keepalived) |<--Failover-->|  VIP (Keepalived)|
+------------------+                 +------------------+
           |                                      |
           v                                      v
+------------------+                 +------------------+
|  Nginx (Master)  |                 |  Nginx (Backup)  |
+------------------+                 +------------------+
           |                                      |
           v                                      v
+-------------------------+           +-------------------------+
|  Backend Server Pool     |           |  Backend Server Pool     |
+-------------------------+           +-------------------------+