Nginx | 负载均衡策略：一致性哈希算法实践

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负载均衡策略：一致性哈希算法

描述：上一小节《Nginx | 负载均衡策略：ip_hash / hash 会话保持实践》说到，哈希算法在服务器数量变化时导致请求路由失效的问题，为了解决这个问题，一致性哈希算法应运而生。它通过构建一个环形结构来映射服务器和请求的哈希值，从而实现负载均衡的同时保持缓存的一致性。

温馨提示：若文章代码块中存在乱码或不能复制，请联系作者，也可通过文末的阅读原文链接，加入知识星球中阅读，原文链接：https://articles.zsxq.com/id_a2l6pacq0flr.html

好了，本小节作者将介绍一致性哈希算法原理，并实践在 upstream 哈希模块中通过添加 consistent 配置，从而实现该算法。

go 复制代码

# 基于哈希键值的服务器组指定负载均衡算法。
Syntax: hash key [consistent];
Default: ---
Context: upstream

探究哈希算法存在的问题

问题背景：当上游服务器数量发生变化（增加或减少）时，传统的哈希算法会导致大量请求的路由策略失效。

示例说明：假设有5个键
，对应5台服务器
，采用模5哈希算法：

→ 路由到 server 0
→ 路由到 server 1
→ 路由到 server 2
→ 路由到 server 3
→ 路由到 server 4

若移除一台服务器，变为4台，则哈希算法改为模4，服务器减少后的变化如下：

→ 原本路由到 server 0，现变更为 server 1
→ 原本路由到 server 1，现变更为 server 2
→ 原本路由到 server 2，现变更为 server 3
→ 原本路由到 server 3，现变更为 server 0
→ 原本路由到 server 4，现变更为 server 1

weiyigeek.top-HASH算法问题图

由上图可知，所有5个键的路由目标全部发生改变，尽管只减少了一台服务器，若此时上游服务未共享缓存（通常采用 redis 或 PostgreSQL）时，例如，采用 cookie / session 方式记录用户会话，这将导致大量缓存失效或会话中断。

如何解决哈希算法存在的问题?

不言而喻，就是一致性 Hash 算法，其核心是将服务器节点和键值都映射到一个环形哈希空间上，从而降低服务器变动时对整体路由的影响。

环形空间构建：使用32位无符号整型构成一个环，范围为
节点放置方式：将每台服务器（如 server 0~3）通过哈希函数映射到环上的某个位置，并按顺时针方向分配数据
键的路由规则：每个键
经哈希后也落在环上，沿顺时针找到第一个遇到的服务器节点，即为其目标节点

例如，将四台服务器均匀分布在环上，每个节点负责从其前一个节点到自身的区间内的所有键；若增加一台服务器则根据负载情况决定插入位置，计算请求HASH键如果正好落于 node5 (server 5) 负责于自身区间中与前一个节点范围，则由其路由转发。

简单来说，新增节点后，只有新增节点周围的键受到影响，其余键的路由保持不变，例如，下图中原5个键均路由至 node 4，其后新增 node 5，通过哈希计算得出其中2个键仍落在 node 4 的管辖范围内，不受影响。另外3个键现在更接近 node 5，因此改由 node 5 处理，所以当未共享缓存时，仅这3个键对应的缓存会失效，不会导致大范围的失效，其余键的缓存继续命中 HITS。
weiyigeek.top-一致性 Hash 算法环形哈希示例图

一致性哈希的优势与劣势

主要优势：扩容或缩容时，仅影响新增/删除节点附近的键，其他键的路由保持不变。极大缓解了因服务器变动导致的大规模缓存失效问题。特别适用于高并发、依赖缓存的系统环境。
主要劣势：无法完全避免路由变化，部分键仍需重新分配。已宕机的节点无法恢复其原有状态，但此非设计目标。基础版本可能存在负载不均问题（未引入虚拟节点时）。

操作步骤

步骤 01.创建两个测试服务器（213、214），213主机监听 8010 端口，214主机分别监听8011和8012端口。

go 复制代码

# 编辑主配置文件，添加 include 指令，引入自定义配置文件目录。
vim /usr/local/nginx/conf/nginx.conf
....
include /usr/local/nginx/conf.d/*.conf;
....

# 创建测试服务器配置文件目录，并写入两个监听服务器的配置。
mkdir /usr/local/nginx/conf.d/
# 10.20.172.214 主机
tee /usr/local/nginx/conf.d/server.conf <<'EOF'
server {
  listen 8011;
  server_name localhost _;
  default_type text/plain;
return 200 'From 8011 server response!\n';
}

server {
  listen 8012;
  server_name localhost _;
  default_type text/plain;
return 200 'From 8012 server response!\n';
}
EOF

# 10.20.172.213 主机
tee /usr/local/nginx/conf.d/server.conf <<'EOF'
server {
  listen 8010;
  server_name localhost _;
  default_type text/plain;
return 200 'From 10.20.172.213:8011 server response!\n';
}
EOF

步骤 02.编辑 Nginx 主配置文件，反向代理请求时使启用一致性哈希算法。

go 复制代码

mv /usr/local/nginx/conf.d/proxy_server_iphash.conf{,.bak}
tee /usr/local/nginx/conf.d/proxy_server_hash.conf <<'EOF'
# 创建上游服务器
upstream backend {
# 基于指定字符串 hash 的负载平衡方法。
# hash user_$arg_user; # 基于 user_拼接请求url中的user参数进行哈希运算，不受权重影响
hash user_$arg_user consistent; # 基于一致性哈希算法进行负载均衡。
# hash 负载均衡算法不受权重影响
  server 127.0.0.1:8011 weight=2; 
  server 127.0.0.1:8012;
# 最大失败次数为2，暂停10秒不向其转发请求。
  server 10.20.172.213:8010 max_fails=2 fail_timeout=10s max_conns=5;
  keepalive 10;  # 设置与上游服务器的长连接，最多保持10个空闲的保活连接。
  keepalive_timeout 60s; # 设置与上游服务器的长连接，空闲连接的超时时间。
}

# 创建监听用于反向代理
server {
  listen 80;
  server_name test.weiyigeek.top;
  access_log /var/log/nginx/test.log main;
  error_log test.error.log info;
  location / {
    proxy_pass http://backend;
    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_set_header Connection "";
    proxy_http_version 1.1;
  }
}
EOF

步骤 03.重启 Nginx 服务，测试一致性哈希算法效果。

go 复制代码

# 214 主机
nginx -s reload

# 214 主机，模拟客户端请求
for i in $(seq 1 30);do echo -n "user_WeiyiGeek${i}:";curl -H 'X-Forwarded-For: 100.10.2.215' http://test.weiyigeek.top?user=WeiyiGeek${i};sleep 1;done

# 在请求过程中在 213 主机上模拟服务器宕机，并再次测试一致性哈希算法效果。
nginx -s stop

weiyigeek.top-测试一致性哈希算法效果图

END

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