Nginx 健康检查和负载均衡机制分析

nginx 是优秀的反向代理服务器，这里主要讲它的健康检查和负载均衡机制，以及这种机制带来的问题。所谓健康检查，就是当后端出现问题（具体什么叫出现问题，依赖于具体实现，各个实现定义不一样），不再往这个后端分发请求，并且做后续的检查，直到这个后端恢复正常。所谓负载均衡，就是选择后端的方式，如何（根据后端的能力）将请求均衡的分发到后端。此外，当请求某个后端失败时，要将该请求分发到其它后端（redispatch）。这里以ngx_http_upstream_round_robin（简称RR）做为负载均衡模块，以ngx_http_proxy_module（检查proxy）作为后端代理模块。

nginx 的健康检查和负载均衡是密切相关的，它没有独立的健康检查模块，而是使用业务请求作为健康检查，这省去了独立健康检查线程，这是好处。坏处是，当业务复杂时，可能出现误判，例如后端响应超时，这是可能是后端宕机，也可能是某个业务请求自身出现问题，跟后端无关。如果后端宕机，nginx还要在将它标记为不可用之后，仍不时的将业务请求分发给它，以检查后端是否恢复。

nginx 完成客户端请求Header部分的解析，upstream 调用RR模块的peer.get 选择具体的后端。当请求结束，upstream 调用RR模块的peer.free，向RR反馈后端的健康情况。当upstream和后端通信时，出现错误会调用 ngx_http_upstream_next，

void ngx_http_upstream_next(ngx_http_request_t *r, ngx_http_upstream_t *u, ngx_uint_t ft_type); 第三个参数指明错误类型，共有如下错误类型

#define NGX_HTTP_UPSTREAM_FT_ERROR          0x00000002

#define NGX_HTTP_UPSTREAM_FT_TIMEOUT        0x00000004

#define NGX_HTTP_UPSTREAM_FT_INVALID_HEADER  0x00000008

#define NGX_HTTP_UPSTREAM_FT_HTTP_500        0x00000010

#define NGX_HTTP_UPSTREAM_FT_HTTP_502        0x00000020

#define NGX_HTTP_UPSTREAM_FT_HTTP_503        0x00000040

#define NGX_HTTP_UPSTREAM_FT_HTTP_504        0x00000080

#define NGX_HTTP_UPSTREAM_FT_HTTP_404        0x00000100

#define NGX_HTTP_UPSTREAM_FT_UPDATING        0x00000200

#define NGX_HTTP_UPSTREAM_FT_BUSY_LOCK      0x00000400

#define NGX_HTTP_UPSTREAM_FT_MAX_WAITING    0x00000800

#define NGX_HTTP_UPSTREAM_FT_NOLIVE          0x40000000

ngx_http_upstream_next，只要错误类型不是 NGX_HTTP_UPSTREAM_FT_HTTP_404，都认为后端有问题（NGX_PEER_FAILED）

if (ft_type == NGX_HTTP_UPSTREAM_FT_HTTP_404) {

state = NGX_PEER_NEXT;

} else {

state = NGX_PEER_FAILED;

}

ngx_http_upstream_next 调用RR的peer.free，RR根据state判断刚才接受请求的后端是否健康。

if (ft_type != NGX_HTTP_UPSTREAM_FT_NOLIVE) {

u->peer.free(&u->peer, u->peer.data, state);

}

ngx_http_upstream_next 如果超过最大重试次数（默认为后端的个数，每试过一个，就减1），或者proxy设置不允许redispatch，则向客户端返回响应status。

if (u->peer.tries == 0 || !(u->conf->next_upstream & ft_type)) {

ngx_http_upstream_finalize_request(r, u, status);

}

proxy 模块的 proxy_next_upstream 配置，在何种情况下将请求redispatch到下一个后端。

刚刚谈到，只要错误类型不是 NGX_HTTP_UPSTREAM_FT_HTTP_404，都认为后端有问题。这里的错误类型包括，连接后端失败，连接，读写后端超时，后端返回了500，502，504等。这个策略是有待商榷的，尤其是读写后端超时也判断为后端不可用。因为某个业务请求，可能因为自身的原因而导致读写超时。注意，在proxy_next_upstream 中指定timeout，http_504 是不同的，前者表示upstream连接，读写后端超时，后者表示后端返回的http code 是504。

实际上健康检查不是必须的，因为redispatch的存在保证了，就算有后端宕机，客户端仍将收到正确的响应。那么我们考虑关掉健康检查。通过upstream 的server配置的max_fails 参数

RR 的peer.get，如果max_fails 为0，则该后端总是可用的（就算它真有问题）。

if (peer->max_fails == 0

|| peer->fails < peer->max_fails)

{

break;

}

因为redispatch的次数，取决于后端的个数，所以后端的个数稍微多一点是有好处的。

下面是一些佐证分析的测试。

upstream test {

server 127.0.0.1:8060 max_fails=0;

server 127.0.0.1:8070 max_fails=0;

server 127.0.0.1:8080 max_fails=0;

server 127.0.0.1:8090 max_fails=0;

}

只有8060，8070是存活的，8080，8090处于不可用状态，这里max_fails=0，关闭了健康检查。

proxy_read_timeout 2;

读超时设为2S。

proxy_next_upstream error timeout;

默认当 error 和 timeout发生时，redispatch。

测试请求的sleep参数指定后端的sleep时间，code参数指定后端返回的http code。根据time和sleep时间的对比，判断重试了几个后端。

time curl "http://127.0.0.1:8099/index.php?sleep=3" -vv

real    0m4.014s

sleep=3，读超时，重试了2个后端。

修改配置 proxy_next_upstream error;

time curl "http://127.0.0.1:8099/index.php?sleep=3" -vv

real    0m2.018s

读超时，不再redispatch，重试了1个后端。

修改配置 proxy_next_upstream error http_504;

time curl "http://127.0.0.1:8099/index.php?sleep=1" -vv

real    0m1.022s

这个是正常请求。

time curl "http://127.0.0.1:8099/index.php?sleep=1&code=504" -vv

real    0m2.023s

让后端返回504，此时nginx会做redispatch，重试了2个后端

但是nginx返回给客户端的是502，不是504，因为所有的后端都返回504，nginx认为后端不可用，返回502.

测试健康检查，关掉redispatch。proxy_next_upstream off;

curl "http://127.0.0.1:8099/index.php?sleep=3" -vv

返回了两次502，两次504。存活的后端返回504，有问题的返回502。

修改 max_fails server 127.0.0.1:8060 max_fails=1; 对8060开启健康检查。

curl "http://127.0.0.1:8099/index.php?sleep=3" -vv

第一轮4次请求，返回两次502，两次504

8080和8090有问题，返回502，8060和8070响应超时，返回504，因为8060开启了健康检查，并且返回了504，所以被标记为不可用。

第二轮4次请求，返回三次502，一次504。8070没有开启健康检查，所以仍然返回504。

根据测试分析，业务请求（sleep 3s，或者 输出 http 504）可以让nginx误以为后端宕了，而这时后端活得好好的。在私有云平台，这个通常不是问题，把超时设大点，不返回5XX错误，可以避免这个问题。但是在公有云平台，这是致命的，因为业务可以编程输出5XX错误。有两种方法应对，一种是关闭健康检查，一种是修改nginx的代码，仅对 NGX_HTTP_UPSTREAM_FT_ERROR 判定为后端有问题。

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