nginx基于TCP的反向代理

一、4层的负载均衡

　　Nginx Plus的商业授权版开始具有TCP负载均衡的功能。从Nginx 1.7.7版本开始加入的，现在变成了一个商业收费版本，想要试用，需要在官网申请。也就是说，Nginx除了以前常用的HTTP负载均衡外，Nginx增加基于TCP协议实现的负载均衡方法。 HTTP负载均衡，也就是我们通常所有“七层负载均衡”，工作在第七层“应用层”。而TCP负载均衡，就是我们通常所说的“四层负载均衡”，工作在“网络层”和“传输层”。例如，LVS（Linux Virtual Server，linux虚拟服务）和F5（一种硬件负载均衡设备），也是属于“四层负载均衡”。

二、nginx的TCP的反向代理

通常我们使用Nginx的upstream做基于http/https端口的7层负载均衡，tcp/udp端口的四层负载均衡一般用LVS或者Haproxy来做。

有两种方式：

1、使用第三方模块nginx_tcp_proxy_module，需要在编译时增加tcp代理模块【nginx_tcp_proxy_module】

2、nginx从1.9.0开始，新增加了一个stream模块，用来实现四层协议的转发、代理或者负载均衡等。这完全就是抢HAproxy份额的节奏，鉴于nginx在7层负载均衡和web service上的成功，和nginx良好的框架，stream模块前景一片光明。

nginx-1.9.0 已发布，该版本增加了 stream 模块用于一般的 TCP 代理和负载均衡。

The ngx_stream_core_module module is available since version 1.9.0. This module is not built by default, it should be enabled with the --with-streamconfiguration parameter.

ngx_stream_core_module 这个模块在1.90版本后将被启用。但是并不会默认安装，需要在编译时通过指定 –with-stream 参数来激活这个模块。

其他改进包括：

• Change: 删除过时的 aio 和 rtsig 事件处理方法
• Feature: 可在 upstream 块中使用 “zone” 指令
• Feature: 流模块，支持 TCP 代理和负载均衡
• Feature: ngx_http_memcached_module 支持字节范围
• Feature: Windows 版本支持使用共享内存，带随机化地址空间布局.
• Feature: “error_log” 指令可在 mail 和 server 级别
• Bugfix: the “proxy_protocol” parameter of the “listen” directive did not work if not specified in the first “listen” directive for a listen socket.

所以，我们如果需要用到这个功能，就需要加上 –with-stream 参数重新编译nginx。

在了解了实现方法后，再了解下安装方案：

• 高版本的nginx(1.10以上?)不支持第三方模块nginx_tcp_proxy_module的安装；
• 高版本的nginx有自带tcp负载均衡配置(stream模块)，但是health_check功能只供商业用户使用，第三方tcp心跳检测模块还没有适配上(2018.5)；
• 低版本的nginx可以用第三方模块nginx_tcp_proxy_module实现tcp负载均衡并且支持用check进行心跳检测，打补丁安装第三方模块nginx_tcp_proxy_module来实现tcp负载均衡和心跳检测；

高版本nginx + nginx_tcp_proxy_module(第三方模块不支持) --> 高版本nginx stream(虽然可转发，但health_check暂不可用，未见适配的第三方心跳检测模块) --> 低版本的nginx(安装第三方模块实现tcp负载均衡)。

所以可行的还只有低版本的nginx(安装第三方模块实现tcp负载均衡)。--来源网络未经验证

三、nginx_tcp_proxy_module安装及使用

nginx tcp代理功能由nginx_tcp_proxy_module模块提供，同时监测后端主机状态。该模块包括的模块有： ngx_tcp_module, ngx_tcp_core_module, ngx_tcp_upstream_module, ngx_tcp_proxy_module, ngx_tcp_upstream_ip_hash_module。

3.1、安装步骤：

cd /app
wget http://nginx.org/download/nginx-1.6.3.tar.gz
unzip nginx-1.6.3.tar.gz

wget https://github.com/yaoweibin/nginx_tcp_proxy_module/archive/master.zip
unzip master

cd /app/nginx-1.6.3
patch -p1 </app/nginx_tcp_proxy_module-master/tcp.patch
./configure  --add-module=/app/nginx_tcp_proxy_module-master
make
make install

3.2、nginx.conf文件中配置负载均衡参数

tcp {
    upstream server {
        server 10.100.138.15:8787;
        server 10.100.138.30:8787;

        #check interval 健康检查时间间隔，单位为毫秒
        #rise 检查几次正常后，将server加入以负载列表中
        #fall 检查几次失败后，从负载队列移除server
        #timeout 检查超时时间，单位为毫秒
        check interval=3000 rise=2 fall=5 timeout=1000;
    }

    server {
        listen 8787;
        proxy_pass server;
       so_keepalive on; 

• tcp_nodelay on;

    }
}

客户端的长连接会断开，没有进展。

TCP负载均衡原理上和LVS等是一致的，工作在更为底层，性能会高于原来HTTP负载均衡不少。但是，不会比LVS更为出色，LVS被置于内核模块，而Nginx工作在用户态，而且，Nginx相对比较重。

四、nginx stream安装及使用

环境：centOS7.3_1611 物理服务器一台

Nginx版本：1.12.1

1.下载NGINX稳定发行版
https://nginx.org/download/nginx-1.12.1.tar.gz

2.解压并切换到安装目录

tar -zxvf nginx-1.12.1.tar.gz
cd nginx-1.12.1

3.编译安装

yum -y install gcc gcc-c++ autoconf automake
yum -y install zlib zlib-devel openssl openssl-devel pcre-devel

./configure --prefix=/opt/nginx --sbin-path=/opt/nginx/sbin/nginx --conf-path=/opt/nginx/conf/nginx.conf --with-http_stub_status_module --with-http_gzip_static_module --with-stream
make
make install
cd /opt/nginx

4.修改配置文件

vim /opt/nginx/conf/nginx.conf(在配置文件最后行添加如下)
    stream {
      upstream NAME1 {
        hash $remote_addr consistent;
        server 10.22.0.7:5000 max_fails=3 fail_timeout=30s;
        server 10.22.0.8:5000 max_fails=3 fail_timeout=30s;
      }
      upstream NAME2 {
        hash $remote_addr consistent;
        server 192.168.5.8:8080 max_fails=3 fail_timeout=30s;
      }
      server{
      listen 8080;
        proxy_connect_timeout 1s;
        proxy_timeout 3s;
        proxy_pass NAME1;
      }
      server{
      listen 60000;
        proxy_connect_timeout 1s;
        proxy_timeout 3s;
        proxy_pass NAME2;
      }
    }

解析：

如上配置文件的含义为
将端口8080反向代理NAME1组的serverIP:PORT，最大失败次数为3，超时时间为30秒；
将端口60000反向代理NAME2组的serverIP:PORT，最大失败次数为3，超时时间为30秒。

5.检测语法

/opt/nginx/sbin/nginx -t

6.开启NGINX

/opt/nginx/sbin/nginx

7.重启NGINX

/opt/nginx/sbin/nginx -s reload

这里推荐使用reload而不是restart。

8.访问IP：PORT验证是否生效

stream core 一些变量

(注意：变量支持是从 nginx 1.11.2版本开始的)
$binary_remote_addr
二进制格式的客户端地址
$bytes_received
从客户端接收到的字节数
$bytes_sent
发往客户端的字节数
$hostname
连接域名
$msec
毫秒精度的当前时间
$nginx_version
nginx 版本
$pid
worker进程号
$protocol
通信协议（UDP or TCP）
$remote_addr
客户端ip
$remote_port
客户端端口
$server_addr
接受连接的服务器ip，计算此变量需要一次系统调用。所以避免系统调用，在listen指令里必须指定具体的服务器地址并且使用参数bind。
$server_port
接受连接的服务器端口
$session_time
毫秒精度的会话时间（版本1.11.4开始）
$status
会话状态（版本1.11.4开始), 可以是一下几个值：
200
成功
400
不能正常解析客户端数据
403
禁止访问
500
服务器内部错误
502
网关错误，比如上游服务器无法连接
503
服务不可用，比如由于限制连接等措施导致
$time_iso8601
ISO 8601时间格式
$time_local
普通日志格式的时间戳

五、TCP负载均衡的执行原理

当Nginx从监听端口收到一个新的客户端链接时，立刻执行路由调度算法，获得指定需要连接的服务IP，然后创建一个新的上游连接，连接到指定服务器。

TCP负载均衡支持Nginx原有的调度算法，包括Round Robin（默认，轮询调度），哈希（选择一致）等。同时，调度信息数据也会和健壮性检测模块一起协作，为每个连接选择适当的目标上游服务器。如果使用Hash负载均衡的调度方法，你可以使用$remote_addr（客户端IP）来达成简单持久化会话（同一个客户端IP的连接，总是落到同一个服务server上）。

和其他upstream模块一样，TCP的stream模块也支持自定义负载均和的转发权重（配置“weight=2”），还有backup和down的参数，用于踢掉失效的上游服务器。max_conns参数可以限制一台服务器的TCP连接数量，根据服务器的容量来设置恰当的配置数值，尤其在高并发的场景下，可以达到过载保护的目的。

Nginx监控客户端连接和上游连接，一旦接收到数据，则Nginx会立刻读取并且推送到上游连接，不会做TCP连接内的数据检测。Nginx维护一份内存缓冲区，用于客户端和上游数据的写入。如果客户端或者服务端传输了量很大的数据，缓冲区会适当增加内存的大小。

当Nginx收到任意一方的关闭连接通知，或者TCP连接被闲置超过了proxy_timeout配置的时间，连接将会被关闭。对于TCP长连接，我们更应该选择适当的proxy_timeout的时间，同时，关注监听socke的so_keepalive参数，防止过早地断开连接。

服务健壮性监控

TCP负载均衡模块支持内置健壮性检测，一台上游服务器如果拒绝TCP连接超过proxy_connect_timeout配置的时间，将会被认为已经失效。在这种情况下，Nginx立刻尝试连接upstream组内的另一台正常的服务器。连接失败信息将会记录到Nginx的错误日志中。

如果一台服务器，反复失败（超过了max_fails或者fail_timeout配置的参数），Nginx也会踢掉这台服务器。服务器被踢掉60秒后，Nginx会偶尔尝试重连它，检测它是否恢复正常。如果服务器恢复正常，Nginx将它加回到upstream组内，缓慢加大连接请求的比例。

之所“缓慢加大”，因为通常一个服务都有“热点数据”，也就是说，80%以上甚至更多的请求，实际都会被阻挡在“热点数据缓存”中，真正执行处理的请求只有很少的一部分。在机器刚刚启动的时候，“热点数据缓存”实际上还没有建立，这个时候爆发性地转发大量请求过来，很可能导致机器无法“承受”而再次挂掉。以MySQL为例子，我们的mysql查询，通常95%以上都是落在了内存cache中，真正执行查询的并不多。

其实，无论是单台机器或者一个集群，在高并发请求场景下，重启或者切换，都存在这个风险，解决的途径主要是两种：

（1）请求逐步增加，从少到多，逐步积累热点数据，最终达到正常服务状态。
（2）提前准备好“常用”的数据，主动对服务做“预热”，预热完成之后，再开放服务器的访问。

TCP负载均衡原理上和LVS等是一致的，工作在更为底层，性能会高于原来HTTP负载均衡不少。但是，不会比LVS更为出色，LVS被置于内核模块，而Nginx工作在用户态，而且，Nginx相对比较重。