孔祥真+張丁+李忠遠

摘 要：調研了目前市場占有率比較高的Unix和Linux服務器應用現狀，重點研究了Linux集群技術，并在校園網絡平臺的搭建中使用了Nginx負載均衡技術。分析Linux小型機集群方案的可行性，以及Nginx反向代理技術對于解決網絡服務器高負荷、高流量、不穩(wěn)定等問題的優(yōu)勢，并部署了Nginx服務器和Tomcat服務器集群，為學校提供了一個高可用、高并發(fā)、高穩(wěn)定且廉價的服務器解決方案。

關鍵詞：Linux；負載均衡；網絡服務器；集群；Ngnix

DOIDOI：10.11907/rjdk.162633

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2016）012-0144-03

0 引言

隨著網絡技術的發(fā)展，對于服務器的需求量也隨之劇增。除了Unix系統(tǒng)，作為類Unix系統(tǒng)的Linux操作系統(tǒng)近年來也倍受青睞。最近，著名雜志《網絡世界》進行了一次調查，其經由多種渠道搜集了來自各行各業(yè)，也包括政府機構IT部門的Linux操作系統(tǒng)在產業(yè)中的應用情況，以此預知Linux在未來應用領域的發(fā)展趨勢。調查結果表明，Linux有著非常好的應用前景，近64.5%以上的負責人計劃將Linux應用于Web服務器。Unix大型機固然有較為明顯的性能優(yōu)勢，然而近期市場占有率有下降的趨勢。

以目前Web服務器應用較多的Nginx技術為支持，構建Linux小型機集群替代Unix大型機，以盡可能地降低服務器成本。本文首先探討服務器集群技術，分析負載均衡集群的算法策略與工作原理，然后在校園服務器網絡平臺的搭建中，運用該技術部署Tomcat服務器集群和Nginx服務器，并采用Nginx反向代理的關鍵字命名規(guī)則進行整合，搭建一個具有較強穩(wěn)定性與可用性的校園網絡服務器。

1 Nginx及其相關技術

1.1 Nginx

Nginx可作為輕量級的Web服務器、反向代理服務器及電子郵件代理服務器使用，由俄羅斯的程序設計師Igor Sysoev開發(fā)。其占有內存少、并發(fā)性能好，并發(fā)能力優(yōu)于同類網頁服務器。目前，我國使用Nginx的網站用戶包括百度、新浪、京東、網易、騰訊、淘寶等知名網站。Nginx作為一款較為實用的Web服務器，與其它Web服務器相比具有以下優(yōu)點[1]：①支持網絡請求高并發(fā)。據官方統(tǒng)計，其每秒能處理5萬靜態(tài)網頁請求；②反向代理性能優(yōu)越，通常被用于負載均衡；③CPU與內存占用率低。官方統(tǒng)計數據顯示，其占用率僅為Apache的1/5～1/10；④對于php可使用cgi與fastcgi方式。

1.2 正向代理與反向代理

（1）正向代理（Forward Proxy）。通常所說的代理技術指正向代理技術。正向代理的定義如下：一個位于客戶端的用戶A、服務器B、位于A和B之間的代理服務器Z，用戶A要從服務器B取得用戶請求的內容，可以通過代理服務器Z發(fā)送請求并指定目標是服務器B，由代理服務器Z向目標服務器B轉交請求，獲得的內容返回客戶端A。也即是說，正向代理就是代理服務器替代客戶端用戶A來訪問服務器B。

（2）反向代理（Reverse Proxy）。在反向代理時，對于客戶端而言，代理服務器如同原始資源服務器，客戶端用戶不需要進行任何設置?？蛻舳讼蚍聪虼淼拿臻g發(fā)送連接請求，然后服務器Z判斷向何處轉交連接請求，并將獲得的內容返回給客戶端的用戶A。用戶A會感覺其請求的是原始資源服務器，而不是反向代理服務器Z。

二者區(qū)別為：①正向代理能夠讓帶有防火墻的局域網用戶訪問外部互聯網；②反向代理將防火墻后面的服務器提供給用戶訪問，還能為后端的多臺服務器提供負載平衡，或者為后端多臺性能不均的服務器提供權重服務；③正向代理使客戶端通過其可以訪問任意網站且隱藏本身，因此必須采取相應的安全措施，以確保僅為授權有保證的互聯網客戶端提供網絡服務。

1.3 負載均衡技術

負載均衡（Load Balance）是建立在網絡結構上的一種廉價、有效方法，它可以擴展網絡設備帶寬，增加吞吐量，增強網絡并發(fā)處理數據的能力，提高網絡的可用性和靈活性。Nginx支持3種負載均衡策略：①輪詢：請求依次輪詢每個服務器；②最少鏈接：請求發(fā)送給持有最少活動鏈接的服務器；③IP哈希：請求通過哈希函數決定發(fā)送給哪個服務器。

1.4 集群

集群是由一組獨立的計算機系統(tǒng)構成的松耦合多處理器系統(tǒng)[2]，通過網絡實現進程間的通信。目前，實現分布式計算機集群的技術有負載均衡集群、高可用集群和科學計算集群。本文重點介紹負載均衡集群。負載均衡集群由兩臺或兩臺以上服務器組成，分前端負載調度和后端服務兩部分?？蛻舳擞脩舻倪B接請求由前端依據負載均衡策略分配給后端服務器，后端服務器應答請求，并將請求內容返回用戶。因而可知，后端服務器是客戶端真正請求內容的服務器。與高可用服務集群不同，在負載均衡集群中，所有后端服務器都處于工作狀態(tài)，都有可能對前端服務器的請求進行應答。

Nginx是利用反向代理服務器來實現負載均衡。如果學校采用Nginx作為Web服務器，可以阻擋外來黑客攻擊，保證數據的安全性與網頁內容的穩(wěn)定性，還可有效解決網頁打開速度慢、網頁內容請求不到等問題，使學生能夠更加方便快捷地訪問學校網頁。另外，使用負載均衡策略還可有效解決服務器資源浪費等問題。

2 Nginx代理服務器搭建

在Linux的Centos 7系統(tǒng)中搭建Nginx Web應用代理服務器[3]，服務器集群架構分為前端和后端服務器[4-6]。前端Nginx服務器的IP為192.168.1.2，后端為Tomcat服務器，IP分別為192.168.1.4、192.168.1.5、192.168.1.6。其工作過程為：客戶端瀏覽器發(fā)送請求，前端Nginx負載均衡服務器得到請求后，依據相應的負載均衡調度算法，將請求發(fā)送給后端Tomcat服務器。Tomcat服務器收到請求后進行響應，并將請求內容轉發(fā)給Nginx服務器，最后Nginx服務器將響應內容發(fā)送給客戶端用戶瀏覽器，其拓撲圖如圖1所示。具體配置為：

系統(tǒng)環(huán)境： RHEL7 Linux

Web服務器： 192.168.1.2 Nginx

192.168.1.4 Tomcat1

192.168.1.5Tomcat2

192.168.1.6 Tomcat3

2.1 Nginx Web服務器安裝與使用

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

Nginx需要以下3個依賴包：zlib-1.2.8.tar.gz、pcre-8.21.tar.gz和openssl-1.0.1.tar.gz。

（2）啟動Nginx。

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

然后啟動nginx，/usr/local/nginx/sbin/nginx 回車即可。查看進程是否已啟動：

[root@xixy～]# ps -ef |grep nginx

在瀏覽器輸入192.168.1.2后，出現下面的圖片文字，則說明Nginx服務器安裝成功。

（3）重啟或關閉Nginx進程：

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

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

（4）將Nginx添加到開機啟動：

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

2.2 Tomcat Web服務器安裝與使用

Tomcat是網頁應用服務器，主要功能是用于解析動態(tài)頁面，常與Apache服務器和Nginx服務器配合搭建整個Http服務器端。Tomcat目前的最新版本為9.0。Tomcat主要用來解析JSP語言，所以安裝Tomcat之前需要安裝JDK （Java Development Kit），JDK是Java 語言的軟件開發(fā)工具包。

IP：192.168.1.4 Tomcat Web 服務器的安裝過程如下：

（1）安裝JDK。

（2）安裝Tomcat1。首先，在官網下載Tomcat，這里下載的是apache-tomcat-7.0.27.tar.gz，下載完后解壓：

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

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

然后，啟動Tomcat，命令為：

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

通過命令ps-ef |grep tomcat 查看進程及端口是否存在，在瀏覽器中輸入http：//192.168.1.4：8080，還可以通過頁面訪問Tomcat默認測試頁面。

最后，關閉Tomcat，命令為：

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

（3）安裝IP為192.168.1.4 的Tomcat Web服務器。

（4）安裝IP為192.168.1.6 的Tomcat Web 服務器。

2.3 Nginx Web與Tomcat Web服務器配置和整合

2.3.1 Nginx服務器配置

（1）編輯nginx.conf配置文件：

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

（2）指定負載均衡方式：

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服務器配置

（1）IP：192.168.1.4 Tomcat Web服務器。

創(chuàng)建自己的網頁發(fā)布目錄，執(zhí)行以下命令：

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

編輯vim /usr/local/tomcat/conf/server.xml，在最后前一行加以下內容：

Tomcat發(fā)布目錄內容：

[root@xixy2]# vim index.jsp

測試01

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

（2）IP：192.168.1.5 Tomcat Web 服務器。

創(chuàng)建自己的網頁發(fā)布目錄，執(zhí)行以下命令：

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

編輯vim /usr/local/tomcat/conf/server.xml，在最后前一行加以下內容：

Tomcat發(fā)布目錄內容：

[root@xixy3 www]# vim index.jsp

測試02

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

（3）IP：192.168.1.6 Tomcat Web 服務器。

創(chuàng)建自己的網頁發(fā)布目錄，執(zhí)行以下命令：

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

編輯vim /usr/local/tomcat/conf/server.xml，在最后前一行加以下內容：

Tomcat發(fā)布目錄內容：

[root@xixy4 www]# vim index.jsp

測試03

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

2.4 性能測試

（1）在進行性能測試時，記錄了運行時間。本記錄中選取響應時間最長和最短的客戶端訪問請求進行記錄。

（2）響應時間指客戶端發(fā)出請求到服務器，服務器接受請求，并處理該請求的響應時間，時間單位為毫秒。

在并發(fā)量為100個用戶以內時，系統(tǒng)運行正常，即各頁面訪問操作正常。隨著并發(fā)訪問用戶達到120時，服務器壓力變大，大約有一半以上的事務響應時間超過腳本的等待時間，導致訪問失敗，頁面出現錯誤。

對上述涉及的問題進行優(yōu)化，可從以下幾個方面考慮：

①調整中間件參數設置，以達到最優(yōu)狀態(tài)。目前該項工作正在進行調整及測試優(yōu)化；

②在有條件的情況下，建議將數據庫服務器與Web服務器分離[7-8]，使其分工更加明確，保證運行效率，同時安全性更高；

③面對高并發(fā)的狀況，即便增加硬件，系統(tǒng)仍會存在訪問瓶頸。為了更好地適應訪問需求，在條件允許的情況下，可對現有系統(tǒng)的軟件方面進行架構改造，比如引進高性能、分布式的緩存系統(tǒng)等。

3 結語

本文基于Nginx負載均衡各項策略的工作原理和集群相關技術，設計了一個負載均衡的服務器集群，搭建了校園網絡服務器。詳述了網絡服務器的安裝和配置步驟，實現了網絡請求內容的反向代理，從而提高了學校網站的訪問速度、穩(wěn)定性和安全性。當然，對于一個真正的大型網絡服務器，還有許多可改進的地方，比如服務器高可用、動態(tài)頁面和靜態(tài)頁面分離、服務器緩存、URL重寫等方面。后續(xù)還會在此基礎上針對平臺的相關問題進行改進，以減少服務器使用過程中的諸多困擾。

參考文獻：

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[8] 張宴.實戰(zhàn) Nginx：取代Apache的高性能Web服務器[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010：3-10.

[9] 木太里甫艾山.Linux環(huán)境下Qt庫多語言界面實現[J].軟件導刊，2016，15（5）：21-23.

（責任編輯：黃 ?。?