Nginx Etcd Consul

Nginx 容器动态流量管理方案：Upsync

一种更为优雅的 Nginx 代理动态切换方案

Posted by pandaychen on January 3, 2021

0x00 前言

前一篇文章，介绍过 Nginx 的负载均衡算法。upstream 机制使得 Nginx 通常用于反向代理服务器，Nginx 接收来自下游客户端的 Http 请求，并处理该请求，同时根据该请求向上游服务器发送 Tcp 请求报文，上游服务器会根据该请求返回相应地响应报文，Nginx 根据上游服务器的响应报文，决定是否向下游客户端转发响应报文。另外 upstream 机制提供了负载均衡的功能，可以将请求负载均衡到集群服务器的某个服务器上面。

同时，上一篇文章介绍了采用 Confd+Nginx 的 方案，不过，在高并发的场景下，使用 nginx -s reload 方式可能会带来性能上的损耗，不够优雅。本篇介绍下 Weibo 开源的 Nginx Module：Upsync，基于 Nginx 容器动态流量管理方案。该方案结合了 Nginx 的健康检查模块，以及动态 reload 机制，可以近乎无损的服务的升级上线与扩容。

Upsync 是 Nginx 和 Etcd、Consul 等服务发现组件非常好的结合实践。Upsync-Module 提供了动态的负载均衡，它可以从 Consul/Etcd 同步 upstreams，而且支持动态修改后端服务器属性（如 weight，max_fails，down 等参数），无须重新加载 Nginx，从而实现平滑伸缩。

关于在高并发下 reload 带来的影响可以参见 Upsync：微博开源基于 Nginx 容器动态流量管理方案

在流量比较重的情况下，发起 reload 会对性能造成影响。reload 的同时会引发新的 work 进程的创建，在一段时间内新旧 work 进程会同时存在，并且旧的 work 进程会频繁的遍历 connection 链表，查看是否请求已经处理结束，若结束便退出进程；另 reload 也会造成 Nginx 与 client 和 backend 的长链接关闭，新的 work 进程需要创建新的链接。在 reload 时 Nginx 的请求处理能力会下降。

0x01 架构 && 流程

nginx-upsync - 原理图

本小节简单介绍下 Upsync 的实现原理。

基于动态路由的方案设计

在 Nginx 的设计中，每一个 upstream 维护了一张静态路由表（注意：静态），存储了 backend 的 ip、port 以及其他的 metadata。每次请求到达后，会依据路由 location 配置检索路由表，然后依据具体的调度（负载均衡）算法选择一个 backend 转发请求。 但这张路由表是静态的，如果变更后，则必须 reload ，解决 reload 的关键就是将静态路由表调整为动态的，即每次更新 backend 后，动态更新或创建一张新的路由表，从而无需 reaload 即可生效。本文介绍的 Nginx 扩展模块 nginx-upsync-module 即可完成此功能（动态更新维护路由表）。

nginx-upsync-module 采用 PULL 方案来完成获取最新 backend 列表的功能，实现细节如下：

  1. 提供外部接口，将路由表中所有的后端节点 backend 信息及相关属性（如权重、参数等）存储到 Consul/Etcd，Nginx 本地初始化一份本地 backend 配置
  2. 所有的 Nginx 通过调用 Consul/Etcd 的 API 接口拉取 backend 列表，并和本地保存的列表比较，有变更则更新路由表，实现动态更新路由的功能
    • Nginx 启动时，master 进程首先会解析本地的配置文件，解析完成功，接着进行一系列的初始化，之后便会开始 Worker 进程的初始化
    • Worker 初始化时会去 Consul 拉取配置，进行 Worker 进程 upstream 路由信息的更新，若拉取成功，便直接更新，若拉取失败，便会打开配置的 dump 后端列表的文件，提取之前 dump 下来的 server 信息，进行 upstream 路由的更新，之后便开始正常的提供服务
    • 每个 Work 进程定时的去 Consul/Etcd 拉取相应 upstream 的配置，若 Consul 发现对应 upstream 的值没有变化，便会 hang 住这个请求 5 分钟。在 5 分钟内对此 upstream 的任何操作，都会立刻返回给 Nginx 对相应路由进行更新
    • 当 upstream 变更后，除了更新 Nginx 的缓存路由信息，还会把本次 upstream 的后端 backend 列表 dump 到本地，保持本地 server 信息与远端的一致性，代码见此
    • 除了注册 / 注销后端的 backend 到 Consul，会更新到 Nginx 的 upstream 路由信息外，对后端 backend 属性的修改也会同步到 Nginx 的 upstream 路由，Upsync 模块支持修改的属性有 weight、max_fails、fail_timeout 和 down

属性说明如下：

backend 属性 说明
weight 服务器权重，默认为 1。修改权重可以动态的调整后端的流量
max_fails 最大尝试失败次数，默认为 1，将其设置为 0 可以关闭检查
fail_timeout 失效时间，默认为 10 秒。在这个时间内产生了 max_fails 所设置大小的失败尝试连接请求后这个服务器可能不可用
down 标记服务器处于离线状态。1：离线；0：在线，若想要临时移除 server，可以把 server 的 down 属性置为 1。若要恢复流量，可重新把 down 置为 0

模块的 HA 设计

Upsync 模块在高可用性 HA 上也有一定考虑，不强依赖 Consul/Etcd（更新除外）： upsync-ha

  • 即使中途 Consul/Etcd 集群不可用，也不会影响 Nginx 的服务，Nginx 会沿用最后一次更新的服务列表继续提供服务
  • 若 Consul/Etcd 集群重新提供服务，这个时候 Nginx 会继续去 Consul/Etcd 探测，且 Consul/Etcd 的后端 backend 列表发生了变化，也会及时的更新到 Nginx
  • Worker 进程每次更新都会把后端列表 dump 到本地，目的是降低对 Consul/Etcd 的依赖性，即使在 Consul/Etcd 不可用时，也可以 Reload Nginx 继续生效

0x02 UpSync 配置及使用

配置指令说明

指令 位置 功能 语法示例 默认值
upsync upstream 从 Consul/Etcd 获取 upstream 服务列表 upsync consul.api.com:port/v1/kv/upstreams/$upstream_name [upsync_type=consul] [upsync_interval=seconds/minutes] [upsync_timeout=seconds/minutes] [strong_dependency=off/on]; upsync_interval=5s upsync_timeout=6m strong_dependency=off

配置示例

先来看一个 Upsync 配置示例：

worker_processes  4;

load_module modules/ngx_http_upsync_module.so;

events {
    worker_connections  1024;
}

http {
    include       mime.types;
    default_type  application/octet-stream;

    log_format  main  '$remote_addr - $remote_user [$time_local]"$request" '
                      '$status $body_bytes_sent"$http_referer" '
                      '"$http_user_agent" "$http_x_forwarded_for"';

    access_log  logs/access.log  main;

    upstream test {
        upsync 127.0.0.1:2379/v2/keys/upstreams/pool upsync_timeout=6m upsync_interval=500ms upsync_type=etcd strong_dependency=off;
        upsync_dump_path /etc/nginx/server_list.conf;
        include /etc/nginx/server_list.conf;
    }

    upstream bar {
        server 127.0.0.1:8090 weight=1 fail_timeout=10 max_fails=3;
    }

    server {
        listen 80;

        location = /index.html {
            proxy_pass http://test;
        }

        location = /bar {
            proxy_pass http://bar;
        }

        location = /upstream_show {
            upstream_show;
        }
    }
}

初始化 server 列表如下：

cat /etc/nginx/server_list.conf
server 127.0.0.1:8080 weight=1 max_fails=2 fail_timeout=10s;
server 127.0.0.1:8081 weight=1 max_fails=2 fail_timeout=10s;

通过 ETCD V2 版本接口进行数据操作：

#增加 upstream 节点，默认属性为：weight=1 max_fails=2 fail_timeout=10 down=0 backup=0;
curl -X PUT http://127.0.0.1:2379/v2/keys/upstreams/pool/127.0.0.1:8082
#删除数据
curl -X DELETE http://127.0.0.1:2379/v2/keys/upstreams/pool/127.0.0.1:8080
#获取数据
curl http://127.0.0.1:2379/v2/keys/upstreams/pool
#增加节点，或者修改属性
curl -X PUT -d value='{"weight":1,"max_fails":2,"fail_timeout":10}' http://127.0.0.1:2379/v2/keys/upstreams/pool/127.0.0.1:8081
#标记节点下线
curl -X PUT -d value='{"weight":2,"max_fails":2,"fail_timeout":10,"down":1}' http://127.0.0.1:2379/v2/keys/upstreams/pool/127.0.0.1:8082
#查看当前 upstream
http://127.0.0.1/upstream_show
Upstream name: test; Backend server count: 2
        server 127.0.0.1:8081 weight=1 max_fails=2 fail_timeout=10s;
        server 127.0.0.1:8082 weight=1 max_fails=2 fail_timeout=10s;

Upstream name: bar; Backend server count: 1
        server 127.0.0.1:8090 weight=1 max_fails=3 fail_timeout=10s;

0x03 核心代码分析

整个模块的核心逻辑在 ngx_http_upsync_module.c，需要对 Nginx 的 Module 开发有些了解。

模块的基本流程如下： upsync-flowchart1

Etcd 的实现

Etcd 的更新流程 在此，分为下面几个步骤：

static ngx_upsync_conf_t  ngx_upsync_types[] = {
    //...
 {ngx_string("etcd"),
      NGX_HTTP_UPSYNC_ETCD,
      ngx_http_upsync_send_handler,
      ngx_http_upsync_recv_handler,
      ngx_http_upsync_etcd_parse_init,
      ngx_http_upsync_etcd_parse_json,
      ngx_http_upsync_clean_event },
}

ngx_http_client_send 函数，调用 GET 请求访问 Consul 或者 Etcd 集群并获取结果：

static ngx_int_t
ngx_http_client_send(ngx_http_conf_client *client,
    ngx_http_upsync_server_t *upsync_server)
{
    size_t       size = 0;
    ngx_int_t    tmp_send = 0;
    ngx_uint_t   send_num = 0;

    ngx_upsync_conf_t           *upsync_type_conf;
    ngx_http_upsync_srv_conf_t  *upscf;

    upscf = upsync_server->upscf;
    upsync_type_conf = upscf->upsync_type_conf;

    u_char request[ngx_pagesize];
    ngx_memzero(request, ngx_pagesize);

    if (upsync_type_conf->upsync_type == NGX_HTTP_UPSYNC_CONSUL
        || upsync_type_conf->upsync_type == NGX_HTTP_UPSYNC_CONSUL_SERVICES
        || upsync_type_conf->upsync_type == NGX_HTTP_UPSYNC_CONSUL_HEALTH)
    {
        ngx_sprintf(request, "GET %V?recurse&index=%uL HTTP/1.0\r\nHost: %V\r\n"
                    "Accept: */*\r\n\r\n",
                    &upscf->upsync_send, upsync_server->index,
                    &upscf->conf_server.name);
    }

    if (upsync_type_conf->upsync_type == NGX_HTTP_UPSYNC_ETCD) {
        ngx_sprintf(request, "GET %V? HTTP/1.0\r\nHost: %V\r\n"
                    "Accept: */*\r\n\r\n",
                    &upscf->upsync_send, &upscf->conf_server.name);
    }

    //...
}

其他细节

1、使用 ngx_add_timer 添加定时器（单位：ms）
Nginx 在 event 模块里实现了精确到毫秒级别的定时器机制，使用红黑树结构管理所有定时器对象

2、在此实践中使用域名方式连接 Consul 时可能会有坑，见 网易杭研 Nginx 自动扩缩容实践，本文不做深入探讨。规避方式是采用 ip:port 方式连接。

参考

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