Nginx架构模型及应用场景

Nginx, Web网站 / 作者：

本文将围绕如下几个部分进行讲解：

  • Nginx 简介及特点
  • Nginx 应用场景
  • Nginx 框架模型介绍
  • Nginx 内部流程介绍
  • Nginx 自定义模块开发介绍
  • Nginx 核心时间点模块介绍
  • Nginx 分流模块介绍
  • Nginx 动态 upstream 模块介绍
  • Nginx query_upstrem 模块介绍
  • Nginx query_conf 模块介绍
  • Nginx 共享内存支持 Redis 协议模块介绍
  • Nginx 日志回放压测工具介绍

Nginx 简介以及特点

Nginx (engine x) 是一个高性能的 Web 服务器和反向代理服务器，也是一个 IMAP/POP3/SMTP 服务器：

  • 它由俄罗斯程序员 Igor Sysoev 于 2002 年开始开发。
  • Nginx 是增长最快的 Web 服务器，市场份额已达 33.3％。
  • 全球使用量排名第二，2011 年成立商业公司。

Nginx 社区分支：

  • Openresty：作者 @agentzh（章宜春）开发的，最大特点是引入了 ngx_lua 模块，支持使用 Lua 开发插件，并且集合了很多丰富的模块，以及 Lua 库。
  • Tengine：主要是淘宝团队开发。特点是融入了因淘宝自身的一些业务带来的新功能。
  • Nginx 官方版本，更新迭代比较快，并且提供免费版本和商业版本。

Nginx 源码结构（代码量大约 11 万行 C 代码）：

  • 源代码目录结构 Core（主干和基础设置）
  • Event（事件驱动模型和不同的 IO 复用模块）
  • HTTP（HTTP 服务器和模块）
  • Mail（邮件代理服务器和模块）
  • OS（操作系统相关的实现）
  • Misc（杂项）

Nginx 特点如下：

  • 反向代理，负载均衡器
  • 高可靠性、单 Master 多 Worker 模式
  • 高可扩展性、高度模块化
  • 非阻塞
  • 事件驱动
  • 低内存消耗
  • 热部署

Nginx 应用场景

Nginx 的应用场景如下：

  • 静态文件服务器
  • 反向代理，负载均衡
  • 安全防御
  • 智能路由（企业级灰度测试、地图 POI 一键切流）
  • 灰度发布
  • 静态化
  • 消息推送
  • 图片实时压缩
  • 防盗链

Nginx 框架模型介绍

进程组件角色：

  • Master 进程：监视工作进程的状态；当工作进程死掉后重启一个新的；处理信号和通知工作进程。
  • Worker 进程：处理客户端请求，从主进程处获得信号做相应的事情。
  • Cache Loader 进程：加载缓存索引文件信息，然后退出。
  • Cache Manager进程：管理磁盘的缓存大小，超过预定值大小后最少使用数据将被删除。

Nginx 的框架模型如下图：

框架模型流程如下图：

Nginx 内部流程介绍

Nginx 框架模型流程如下图：

Master 初始化流程，如下图：

Worker 初始化：

Worker 初始化流程图如下：

静态文件请求 IO 流程如下图：

HTTP 请求流程如下图：

HTTP 请求 11 个阶段，如下图所示：

upstream模块：

  • 访问第三方 Server 服务器
  • 底层 HTTP 通信非常完善
  • 异步非阻塞
  • 上下游内存零拷贝，节省内存
  • 支持自定义模块开发

upstream 框架流程，如下图：

upstream 内部流程，如下图：

反向代理流程，如下图：

Nginx 定制化模块开发

Nginx 的模块化设计特点如下：

  • 高度抽象的模块接口
  • 模块接口非常简单，具有很高的灵活性
  • 配置模块的设计
  • 核心模块接口的简单化
  • 多层次、多类别的模块设计

内部核心模块：

Handler 模块：接受来自客户端的请求并构建响应头和响应体。

Filter 模块：过滤（filter）模块是过滤响应头和内容的模块，可以对回复的头和内容进行处理。它的处理时间在获取回复内容之后，向用户发送响应之前。

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Upstream 模块：使 Nginx 跨越单机的限制，完成网络数据的接收、处理和转发，纯异步的访问后端服务。

Load_Balance：负载均衡模块，实现特定的算法，在众多的后端服务器中，选择一个服务器出来作为某个请求的转发服务器。

ngx_lua 模块：

  • 脚本语言
  • 内存开销小
  • 运行速度快
  • 强大的 Lua 协程
  • 非阻塞
  • 业务逻辑以自然逻辑书写

定制化开发 Demo

Handler 模块：

  • 编写 config 文件
  • 编写模块产生内容响应信息
#配置文件：
server {
    ...    
    location test {
        test_counter on;
    }
}
#config
ngx_addon_name=ngx_http_test_module
HTTP_MODULES="$HTTP_MODULES ngx_http_test_module"
NGX_ADDON_SRCS="$NGX_ADDON_SRCS $ngx_addon_dir/ngx_http_test_module.c"
#ngx_http_test_module.c
static ngx_int_t
ngx_http_test_handler(ngx_http_request_t *r)
{
    ngx_int_t                               rc;
    ngx_buf_t                               *b;
    ngx_chain_t                             out;
    ngx_http_test_conf_t                    *lrcf;
    ngx_str_t                               ngx_test_string = ngx_string("hello test");

    lrcf = ngx_http_get_module_loc_conf(r, ngx_http_test_module);
    if ( lrcf->test_counter == 0 ) {
        return NGX_DECLINED;
    }

    /* we response to 'GET' and 'HEAD' requests only */
    if ( !(r->method & (NGX_HTTP_GET|NGX_HTTP_HEAD)) ) {
            return NGX_HTTP_NOT_ALLOWED;
    }

    /* discard request body, since we don't need it here */
    rc = ngx_http_discard_request_body(r);

    if ( rc != NGX_OK ) {
        return rc;
    }

    /* set the 'Content-type' header */
    /*
     *r->headers_out.content_type.len = sizeof("text/html") - 1;
     *r->headers_out.content_type.data = (u_char *)"text/html";
    */
    ngx_str_set(&r->headers_out.content_type, "text/html");

    /* send the header only, if the request type is http 'HEAD' */
    if ( r->method == NGX_HTTP_HEAD ) {
        r->headers_out.status = NGX_HTTP_OK;
        r->headers_out.content_length_n = ngx_test_string.len;

        return ngx_http_send_header(r);
    }

    /* set the status line */
    r->headers_out.status = NGX_HTTP_OK;
    r->headers_out.content_length_n =  ngx_test_string.len;

    /* send the headers of your response */
    rc = ngx_http_send_header(r);
    if ( rc == NGX_ERROR || rc > NGX_OK || r->header_only ) {
        return rc;
    }

    /* allocate a buffer for your response body */
    b = ngx_pcalloc(r->pool, sizeof(ngx_buf_t));
    if ( b == NULL ) {
        return NGX_HTTP_INTERNAL_SERVER_ERROR;
    }

    /* attach this buffer to the buffer chain */
    out.buf = b;
    out.next = NULL;

    /* adjust the pointers of the buffer */
    b->pos = ngx_test_string.data;
    b->last = ngx_test_string.data + ngx_test_string.len;
    b->memory = 1;    /* this buffer is in memory */
    b->last_buf = 1;  /* this is the last buffer in the buffer chain */

    /* send the buffer chain of your response */
    return ngx_http_output_filter(r, &out);
}

Nginx 核心时间点模块介绍

解决接入层故障定位慢的问题，帮助 OP 快速判定问题根因，优先自证清白，提高接入层高效的生产力。

image

Nginx 分流模块介绍

Nginx 分流模块特点如下：

  • 实现非常灵活的动态的修改策略从而进行切流量。
  • 实现平滑无损的方式进行流量的切换。
  • 通过秒级切换流量可以缩小影响范围，从而减少损失。
  • 按照某一城市或者某个特征，秒级进行切换流量或者禁用流量。
  • 容忍单机房级别容量故障，缩短了单机房故障的止损时间。
  • 快速的将流量隔离或者流量抽样。
  • 高效的灰度测试，提高生产力。

Nginx 动态 upstream 模块介绍

让接入层可以适配动态调度的云环境，实现服务的平滑上下线、弹性扩/缩容。

从而提高接入层高效的生产力以及稳定性，保证业务流量的平滑无损。

Nginx query_upstream 模块介绍

链路追踪，梳理接口到后端链路的情况。查询 location 接口对应 upstream server 信息。

Nginx query_conf 模块介绍

获取 Nginx 配置文件格式化为 json 格式信息：

Nginx 共享内存支持 Redis 协议模块介绍

根据配置文件来动态的添加共享内存：

https://github.com/lidaohang/ngx_shm_dict

ngx_shm_dict：共享内存核心模块（红黑树，队列）ngx_shm_dict_manager：添加定时器事件，定时的清除共享内存中过期的 Key，添加读事件，支持 Redis 协议，通过 redis-cli get，set，del，ttlngx_shm_dict_view：共享内存查看

Nginx 日志回放压测工具

解析日志进行回放压测，模拟后端服务器慢等各种异常情况 ：

https://github.com/lidaohang/playback-testing

方案说明：

  • 客户端解析 access.log 构建请求的 host，port，url，body。
  • 把后端响应时间，后端响应状态码，后端响应大小放入 header 头中。
  • 后端服务器获取相应的 header，进行模拟响应 body 大小，响应状态码，响应时间。

使用方式：

  • 拷贝需要测试的 access.log 的日志到 logs 文件夹里面。
  • 搭建需要测试的 Nginx 服务器，并且配置 upstream 指向后端服务器断端口
  • 启动后端服务器实例
server/backserver/main.go
  • 进行压测
bin/wrk -c30 -t1 -s conf/nginx_log.lua http://localhost:8095

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