Linux负载均衡集群技术在网络服务器中的应用

孔祥真+张丁+李忠远

摘 要：调研了目前市场占有率比较高的Unix和Linux服务器应用现状，重点研究了Linux集群技术，并在校园网络平台的搭建中使用了Nginx负载均衡技术。分析Linux小型机集群方案的可行性，以及Nginx反向代理技术对于解决网络服务器高负荷、高流量、不稳定等问题的优势，并部署了Nginx服务器和Tomcat服务器集群，为学校提供了一个高可用、高并发、高稳定且廉价的服务器解决方案。

关键词：Linux；负载均衡；网络服务器；集群；Ngnix

DOIDOI：10.11907/rjdk.162633

中图分类号：TP393

文献标识码：A文章编号：1672-7800（2016）012-0144-03

0 引言

随着网络技术的发展，对于服务器的需求量也随之剧增。除了Unix系统，作为类Unix系统的Linux操作系统近年来也倍受青睐。最近，著名杂志《网络世界》进行了一次调查，其经由多种渠道搜集了来自各行各业，也包括政府机构IT部门的Linux操作系统在产业中的应用情况，以此预知Linux在未来应用领域的发展趋势。调查结果表明，Linux有着非常好的应用前景，近64.5%以上的负责人计划将Linux应用于Web服务器。Unix大型机固然有较为明显的性能优势，然而近期市场占有率有下降的趋势。

以目前Web服务器应用较多的Nginx技术为支持，构建Linux小型机集群替代Unix大型机，以尽可能地降低服务器成本。本文首先探讨服务器集群技术，分析负载均衡集群的算法策略与工作原理，然后在校园服务器网络平台的搭建中，运用该技术部署Tomcat服务器集群和Nginx服务器，并采用Nginx反向代理的关键字命名规则进行整合，搭建一个具有较强稳定性与可用性的校园网络服务器。

1 Nginx及其相关技术

1.1 Nginx

Nginx可作为轻量级的Web服务器、反向代理服务器及电子邮件代理服务器使用，由俄罗斯的程序设计师Igor Sysoev开发。其占有内存少、并发性能好，并发能力优于同类网页服务器。目前，我国使用Nginx的网站用户包括百度、新浪、京东、网易、腾讯、淘宝等知名网站。Nginx作为一款较为实用的Web服务器，与其它Web服务器相比具有以下优点[1]：①支持网络请求高并发。据官方统计，其每秒能处理5万静态网页请求；②反向代理性能优越，通常被用于负载均衡；③CPU与内存占用率低。官方统计数据显示，其占用率仅为Apache的1/5～1/10；④对于php可使用cgi与fastcgi方式。

1.2 正向代理与反向代理

（1）正向代理（Forward Proxy）。通常所说的代理技术指正向代理技术。正向代理的定义如下：一个位于客户端的用户A、服务器B、位于A和B之间的代理服务器Z，用户A要从服务器B取得用户请求的内容，可以通过代理服务器Z发送请求并指定目标是服务器B，由代理服务器Z向目标服务器B转交请求，获得的内容返回客户端A。也即是说，正向代理就是代理服务器替代客户端用户A来访问服务器B。

（2）反向代理（Reverse Proxy）。在反向代理时，对于客户端而言，代理服务器如同原始资源服务器，客户端用户不需要进行任何设置。客户端向反向代理的命名空间发送连接请求，然后服务器Z判断向何处转交连接请求，并将获得的内容返回给客户端的用户A。用户A会感觉其请求的是原始资源服务器，而不是反向代理服务器Z。

二者区别为：①正向代理能够让带有防火墙的局域网用户访问外部互联网；②反向代理将防火墙后面的服务器提供给用户访问，还能为后端的多台服务器提供负载平衡，或者为后端多台性能不均的服务器提供权重服务；③正向代理使客户端通过其可以访问任意网站且隐藏本身，因此必须采取相应的安全措施，以确保仅为授权有保证的互联网客户端提供网络服务。

1.3 负载均衡技术

负载均衡（Load Balance）是建立在网络结构上的一种廉价、有效方法，它可以扩展网络设备带宽，增加吞吐量，增强网络并发处理数据的能力，提高网络的可用性和灵活性。Nginx支持3种负载均衡策略：①轮询：请求依次轮询每个服务器；②最少链接：请求发送给持有最少活动链接的服务器；③IP哈希：请求通过哈希函数决定发送给哪个服务器。

1.4 集群

集群是由一组独立的计算机系统构成的松耦合多处理器系统[2]，通过网络实现进程间的通信。目前，实现分布式计算机集群的技术有负载均衡集群、高可用集群和科学计算集群。本文重点介绍负载均衡集群。负载均衡集群由两台或两台以上服务器组成，分前端负载调度和后端服务两部分。客户端用户的连接请求由前端依据负载均衡策略分配给后端服务器，后端服务器应答请求，并将请求内容返回用户。因而可知，后端服务器是客户端真正请求内容的服务器。与高可用服务集群不同，在负载均衡集群中，所有后端服务器都处于工作状态，都有可能对前端服务器的请求进行应答。

Nginx是利用反向代理服务器来实现负载均衡。如果学校采用Nginx作为Web服务器，可以阻挡外来黑客攻击，保证数据的安全性与网页内容的稳定性，还可有效解决网页打开速度慢、网页内容请求不到等问题，使学生能够更加方便快捷地访问学校网页。另外，使用负载均衡策略还可有效解决服务器资源浪费等问题。

2 Nginx代理服务器搭建

在Linux的Centos 7系统中搭建Nginx Web应用代理服务器[3]，服务器集群架构分为前端和后端服务器[4-6]。前端Nginx服务器的IP为192.168.1.2，后端为Tomcat服务器，IP分别为192.168.1.4、192.168.1.5、192.168.1.6。其工作过程为：客户端浏览器发送请求，前端Nginx负载均衡服务器得到请求后，依据相应的负载均衡调度算法，将请求发送给后端Tomcat服务器。Tomcat服务器收到请求后进行响应，并将请求内容转发给Nginx服务器，最后Nginx服务器将响应内容发送给客户端用户浏览器，其拓扑图如图1所示。具体配置为：

系统环境： RHEL7 Linux

Web服务器： 192.168.1.2 Nginx

192.168.1.4 Tomcat1

192.168.1.5Tomcat2

192.168.1.6 Tomcat3

2.1 Nginx Web服务器安装与使用

（1）安装Nginx所需要的依赖包：yum -y install gcc gcc-c++ make libtool* zlib* openssl openssl-devel pcre pcre-devel。

Nginx需要以下3个依赖包：zlib-1.2.8.tar.gz、pcre-8.21.tar.gz和openssl-1.0.1.tar.gz。

（2）启动Nginx。

[root@xixy ～]# /usr/local/nginx/sbin/nginx

然后启动nginx，/usr/local/nginx/sbin/nginx 回车即可。查看进程是否已启动：

[root@xixy～]# ps -ef |grep nginx

在浏览器输入192.168.1.2后，出现下面的图片文字，则说明Nginx服务器安装成功。

（3）重启或关闭Nginx进程：

[root@xixy～]# /usr/local/nginx/sbin/nginx？-s reload

[root@xixy～]# /usr/local/nginx/sbin/nginx -s stop

（4）将Nginx添加到开机启动：

[root@xixy～]# echo"/usr/local/nginx/sbin/nginx">>/etc/rc.d/rc.local

2.2 Tomcat Web服务器安装与使用

Tomcat是网页应用服务器，主要功能是用于解析动态页面，常与Apache服务器和Nginx服务器配合搭建整个Http服务器端。Tomcat目前的最新版本为9.0。Tomcat主要用来解析JSP语言，所以安装Tomcat之前需要安装JDK （Java Development Kit），JDK是Java 语言的软件开发工具包。

IP：192.168.1.4 Tomcat Web 服务器的安装过程如下：

（1）安装JDK。

（2）安装Tomcat1。首先，在官网下载Tomcat，这里下载的是apache-tomcat-7.0.27.tar.gz，下载完后解压：

[root@xixy2 ～]# tar xf apache-tomcat-7.0.27.tar.gz

[root@xixy2 ～]# mv apache-tomcat-7.0.27 /usr/local/tomcat

然后，启动Tomcat，命令为：

[root@xixy2 ～]# /usr/local/tomcat/bin/startup.sh

通过命令ps-ef |grep tomcat 查看进程及端口是否存在，在浏览器中输入http：//192.168.1.4：8080，还可以通过页面访问Tomcat默认测试页面。

最后，关闭Tomcat，命令为：

[root@xixy2 ～]# /usr/local/tomcat/bin/shutdown.sh

（3）安装IP为192.168.1.4 的Tomcat Web服务器。

（4）安装IP为192.168.1.6 的Tomcat Web 服务器。

2.3 Nginx Web与Tomcat Web服务器配置和整合

2.3.1 Nginx服务器配置

（1）编辑nginx.conf配置文件：

[root@xixy ～]# vim /usr/local/nginx/conf/nginx.conf

（2）指定负载均衡方式：

upstream tomcat {

server 192.168.1.4：8080；

server 192.168.1.5：8080；

server 192.168.1.6 ：8080；

}

server {

listen 80；

server_name localhost；

location / {

root html；

index index.html index.htm index.php；

proxy_pass http：//tomcat；

}

location ～ .*＼.（php|jsp|cgi）？$ {

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_pass http：//tomcat；}}

}

2.3.2 Tomcat Web服务器配置

（1）IP：192.168.1.4 Tomcat Web服务器。

创建自己的网页发布目录，执行以下命令：

[root@xixy2 ～]# mkdir -p /usr/webapps/www

编辑vim /usr/local/tomcat/conf/server.xml，在最后前一行加以下内容：

Tomcat发布目录内容：

[root@xixy2]# vim index.jsp

测试01

<%@ page contentType="text/html；charset=utf-8"%>

（2）IP：192.168.1.5 Tomcat Web 服务器。

创建自己的网页发布目录，执行以下命令：

[root@xixy3 ～]# mkdir -p /usr/webapps/www

编辑vim /usr/local/tomcat/conf/server.xml，在最后前一行加以下内容：

Tomcat发布目录内容：

[root@xixy3 www]# vim index.jsp

测试02

<%@ page contentType="text/html；charset=utf-8"%>

（3）IP：192.168.1.6 Tomcat Web 服务器。

创建自己的网页发布目录，执行以下命令：

[root@xixy4 ～]# mkdir -p /usr/webapps/www

编辑vim /usr/local/tomcat/conf/server.xml，在最后前一行加以下内容：

Tomcat发布目录内容：

[root@xixy4 www]# vim index.jsp

测试03

<%@ page contentType="text/html；charset=utf-8"%>

2.4 性能测试

（1）在进行性能测试时，记录了运行时间。本记录中选取响应时间最长和最短的客户端访问请求进行记录。

（2）响应时间指客户端发出请求到服务器，服务器接受请求，并处理该请求的响应时间，时间单位为毫秒。

在并发量为100个用户以内时，系统运行正常，即各页面访问操作正常。随着并发访问用户达到120时，服务器压力变大，大约有一半以上的事务响应时间超过脚本的等待时间，导致访问失败，页面出现错误。

对上述涉及的问题进行优化，可从以下几个方面考虑：

①调整中间件参数设置，以达到最优状态。目前该项工作正在进行调整及测试优化；

②在有条件的情况下，建议将数据库服务器与Web服务器分离[7-8]，使其分工更加明确，保证运行效率，同时安全性更高；

③面对高并发的状况，即便增加硬件，系统仍会存在访问瓶颈。为了更好地适应访问需求，在条件允许的情况下，可对现有系统的软件方面进行架构改造，比如引进高性能、分布式的缓存系统等。

3 结语

本文基于Nginx负载均衡各项策略的工作原理和集群相关技术，设计了一个负载均衡的服务器集群，搭建了校园网络服务器。详述了网络服务器的安装和配置步骤，实现了网络请求内容的反向代理，从而提高了学校网站的访问速度、稳定性和安全性。当然，对于一个真正的大型网络服务器，还有许多可改进的地方，比如服务器高可用、动态页面和静态页面分离、服务器缓存、URL重写等方面。后续还会在此基础上针对平台的相关问题进行改进，以减少服务器使用过程中的诸多困扰。

参考文献：

[1] [美]KARLKOPPER.Linux企业集群：用商用硬件和免费软件构件高可用集群[M].北京：水利水电出版社，2007.

[2] 高俊峰.循序渐进——Linux基础知识、服务器搭建、系统管理、性能调优、集群应用[M].北京：人民邮电出版社，2009.

[3] 杨永健.反向代理软件SQUID在高校图书馆中的应用[J].四川图书馆学报， 2007（3）：59-62.

[4] 李智慧.大型网站技术架构：核心原理与案例分析[M].北京：电子工业出版社，2013.

[5] 陈小全，张继红.Linux服务器架设、性能调优、集群管理教程——实训与项目案例[M].北京：北京邮电大学出版社，2011.

[6] [法]CLEMENT NEDELCU.学习Nginx HTTP Server（中文版）[M].北京：清华大学出版社，2012.

[7] 伍云辉.Linux服务器配置与管理指南[M].北京：清华大学出版社，2010：1-5.

[8] 张宴.实战 Nginx：取代Apache的高性能Web服务器[M].北京：电子工业出版社，2010：3-10.

[9] 木太里甫艾山.Linux环境下Qt库多语言界面实现[J].软件导刊，2016，15（5）：21-23.

（责任编辑：黄 健）