Nginx实战 | 高性能HTTP和反向代理神器Nginx前世今生，以及它的“繁花之境”

1 Nginx 发展历史

Nginx 的历史可以追溯到 1990 年代末期，当时互联网开始迅速发展，传统的 HTTP 服务器如 Apache 开始显得力不从心，无法满足日益增长的访问量和并发请求。为了解决这个问题，Igor Sysoev 开始编写 Nginx，首个版本在 2004 年发布。Nginx 的设计理念是追求极高的性能和稳定性，同时还具有较低的内存消耗和资源占用，这使得它能够处理大量并发请求，非常适合于需要处理高负载的服务器环境。

• 早期开发：Nginx最初是在Unix-like系统中运行的，使用C语言开发，并在一个BSD-like许可证下发布。它的设计受到了当时的网络环境以及Igor Sysoev作为系统管理员的工作经验的影响。
• 版本迭代：随着时间的发展，Nginx逐渐增加了更多的功能，如SSL/TLS支持、虚拟主机、HTTP/2等，并且不断地对性能进行优化。
• 社区和公司：2009年，Sysoev与别人合伙成立了Nginx公司，以支持Nginx的发展。2019年，Nginx公司被F5 Networks收购，成为其商业产品的一部分。
• 创始人离职：2020年，Igor Sysoev宣布退出F5 Networks，以更多地关注家庭和个人项目。他在离职时得到了社区的高度评价和感谢，因为他的工作对Nginx的成功和互联网的发展有着深远的影响。

2 如何使用 Nginx

使用 Nginx 主要包括以下几个步骤：

1. 下载和安装：首先，用户需要从 Nginx 的官方网站下载适合自己操作系统的 Nginx 版本。Nginx 提供了 Linux、Windows 等平台的版本。下载完成后，根据操作系统的不同，执行相应的安装程序。
2. 配置：Nginx 的配置相对简洁。它使用基于文件系统的配置，主要通过修改配置文件来设置代理、缓存、负载均衡等。配置文件通常位于安装目录下的 nginx.conf，此外还包括用于设置静态资源服务、虚拟主机等的额外配置文件。
3. 启动和停止：通过执行安装目录下的 nginx 命令来启动 Nginx 服务，而停止服务通常可以通过 nginx -s stop 或使用操作系统服务管理工具来实现。
4. 测试：启动服务后，可以通过访问 http://localhost 或服务器 IP 地址来测试 Nginx 是否正常运行。
5. 监控和维护：Nginx 提供了监控工具，比如 nginx -s status 来检查服务状态。此外，定期检查和更新软件，以及监控服务器性能和访问日志，对于维护 Nginx 服务是必要的。

3 详细配置 Nginx

配置 Nginx 是一个相对复杂的过程，下面将详细介绍如何配置 Nginx。

3.1 安装 Nginx

在 Linux 系统中，您可以使用包管理器来安装 Nginx。例如，在 Ubuntu 或 Debian 上，您可以使用以下命令：

sudo apt update
sudo apt install nginx

在 CentOS 或 RHEL 上，您可以使用以下命令：

sudo yum install epel-release
sudo yum install nginx

如果您需要从源代码编译 Nginx，可以执行以下命令：

wget http://nginx.org/download/nginx-1.21.3.tar.gz
tar zxvf nginx-1.21.3.tar.gz
cd nginx-1.21.3
./configure
make
sudo make install

3.2 配置文件结构

Nginx 的配置文件通常位于 /etc/nginx/ 或 /usr/local/nginx/conf/。主要配置文件是 nginx.conf，它包含了全局配置。此外，还有 sites-available、sites-enabled 和 conf.d 目录，这些目录包含了虚拟主机的配置文件。

3.3 配置虚拟主机

要配置一个虚拟主机，您需要在 sites-available 目录下创建一个配置文件，然后将其符号链接到 sites-enabled 目录。在配置文件中，您可以设置服务器监听的主机名、端口、文档根目录等。例如：

server {
    listen 80;
    server_name example.com www.example.com;
    root /var/www/example;
    index index.html index.htm;
}

3.4 配置代理

Nginx 可以配置为反向代理服务器，将请求转发到后端服务器。在配置文件中，您需要设置代理服务器的主机名和端口，以及如何处理请求。例如：

location / {
    proxy_pass http://backend-server:8080;
    proxy_set_header Host $host;
    proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;
    proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;
}

3.5 配置 SSL/TLS

配置 Nginx 以使用 SSL/TLS 是保护网站安全性和用户隐私的重要步骤。以下是一个基本的指南，用于在 Nginx 中配置 SSL/TLS。

3.5.1 准备 SSL/TLS 证书和私钥

在配置 Nginx 之前，您需要有一个有效的 SSL/TLS 证书和相应的私钥。您可以从证书颁发机构（CA）获得证书，或者使用 Let’s Encrypt 提供的免费证书。如果您选择 Let’s Encrypt，可以使用 certbot 工具自动获取和配置证书。

3.5.2 配置 Nginx 服务器块

在 Nginx 配置文件中，通常在 server 块内添加 SSL/TLS 配置。以下是一个示例配置：

server {
    listen 443 ssl;
    server_name example.com www.example.com;
    ssl_certificate /path/to/your/fullchain.pem;
    ssl_certificate_key /path/to/your/privatekey.pem;
    ssl_session_cache shared:SSL:1m;
    ssl_session_timeout  10m;
    ssl_ciphers HIGH:!aNULL:!MD5;
    ssl_prefer_server_ciphers on;
    root /var/www/example;
    index index.html index.htm;
}

3.5.3 配置要点解释

• listen 443 ssl;：这指定服务器在端口 443 上监听 SSL/TLS 连接。
• ssl_certificate 和 ssl_certificate_key：这些指令指定 SSL/TLS 证书和私钥的路径。确保这些文件是正确的，并且服务器用户有权限读取它们。
• ssl_session_cache 和 ssl_session_timeout：这些指令配置 SSL 会话缓存和超时设置。
• ssl_ciphers：这个指令指定用于加密的 SSL 演算法。您应该选择强加密算法，并避免使用已弃用的算法。
• ssl_prefer_server_ciphers on;：这告诉客户端优先使用服务器提供的加密套件。

3.5.4 重启 Nginx 服务

在更新配置文件后，您需要重启 Nginx 服务以使更改生效：

sudo systemctl restart nginx

或者，如果您不是使用系统服务管理器，可以使用以下命令：

sudo nginx -s restart

3.5.5 测试 SSL/TLS 配置

在重启服务后，您应该测试 SSL/TLS 配置是否正确。您可以使用 curl 命令来测试：

curl -I https://example.com

您应该看到返回的响应中包含 HTTP/2 200 状态码，以及 SSL/TLS 相关的头部信息，表明 SSL/TLS 已正确配置。
请注意，SSL/TLS 配置可能会因您的具体需求和服务器配置而有所不同。确保遵循最佳实践，并定期更新您的证书和私钥。

3.6 配置缓存

Nginx 可以通过 proxy_cache 模块来缓存后端服务器的响应。这需要确保您的 Nginx 编译时包含了 ngx_http_proxy_module 和 ngx_http_cache_module。大多数标准 Nginx 安装都包含这些模块。
以下是一个基本的 Nginx 缓存配置示例：

http {
    proxy_cache_path /var/cache/nginx/proxy_cache levels=1:2 keys_zone=cache_zone:10m;
    upstream backend {
        server backend1.example.com;
        server backend2.example.com;
    }
    server {
        listen 80;
        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_cache cache_zone;
            proxy_cache_valid any;
            proxy_cache_min_uses 1;
            proxy_cache_max_uses 10;
            proxy_cache_disk_mode async;
            proxy_cache_exclude "*/charset/*.html";
        }
    }
}

在这个例子中：

• proxy_cache_path 指令用于设置缓存的存储路径和大小。levels=1:2 表示缓存的存储层次，keys_zone=cache_zone:10m 表示缓存的键值存储在内存中的大小为 10MB。
• upstream 定义了后端服务器组。
• proxy_pass 指令将请求转发到后端服务器。
• proxy_set_header 指令确保转发请求时携带必要的头部信息。
• proxy_cache 指令启用缓存，并指定缓存的键值存储在哪个 keys_zone 中。
• proxy_cache_valid 指令设置缓存的响应状态码，any 表示所有状态码的响应都可以缓存。
• proxy_cache_min_uses 和 proxy_cache_max_uses 指令设置缓存的最低和最高使用次数。
• proxy_cache_disk_mode 指令设置磁盘 I/O 模式，async 表示异步模式，可以提高性能。
• proxy_cache_exclude 指令用于排除某些文件或目录的缓存。
  请注意，这只是一个基本的缓存配置示例。在实际应用中，您可能需要根据具体情况调整缓存路径、大小、过期时间等。此外，Nginx 还支持更高级的缓存配置，如缓存动态内容、使用不同的缓存策略等。

3.7 配置负载均衡

Nginx 的负载均衡功能是通过其内置的 upstream 模块实现的。以下是一个基本的 Nginx 负载均衡配置示例：

http {
    upstream myapp1 {
        server srv1.example.com;
        server srv2.example.com;
        server srv3.example.com;
        # 可以设置权重，如 server srv1.example.com weight=3;
        # 其他负载均衡方法还包括 least_conn, ip_hash 等。
    }
    server {
        listen 80;
        location / {
            proxy_pass http://myapp1;
            # 在这里可以设置更多的代理设置，如 proxy_set_header, proxy_connect_timeout 等。
        }
    }
}

在这个例子中，myapp1 是一个上游服务器组，它包含三个服务器：srv1.example.com、srv2.example.com 和 srv3.example.com。Nginx 将根据配置的负载均衡算法（默认是轮询）将请求分发到这些服务器上。

• server 指令用于定义一个上游服务器，可以指定服务器的主机名或 IP 地址。
• weight 指令用于设置服务器的权重，权重越高的服务器将接收更多的请求。
• least_conn 指令用于启用最少连接数负载均衡算法，请求将被发送到当前连接数最少的服务器。
• ip_hash 指令用于启用基于源 IP 的哈希负载均衡算法，来自同一 IP 的请求总是被代理到同一台服务器，这有助于保持用户的会话。

3.7.1 健康检查

Nginx 还提供了健康检查功能，以确保上游服务器组的健康状态。以下是一个包含健康检查的配置示例：

http {
    upstream myapp1 {
        server srv1.example.com;
        server srv2.example.com;
        server srv3.example.com;
        # 健康检查
        health_check {
            enable on;
            interval 3000; # 每隔 3 秒检查一次
            timeout 1000; # 超时时间
            unhealthy_threshold 3; # 不健康连续检查次数
            healthy_threshold 3; # 健康连续检查次数
            http_get http://example.com/health; # 检查的 URL
        }
    }
    server {
        listen 80;
        location / {
            proxy_pass http://myapp1;
            # 其他代理设置
        }
    }
}

在这个例子中，health_check 指令用于配置健康检查。如果服务器在连续三次检查中都未能通过健康检查，它将被标记为不健康，并将不再接收新的请求。当服务器恢复健康时，它将重新加入上游服务器组。
请注意，这些示例仅用于说明 Nginx 负载均衡的基本配置。在实际应用中，您可能需要根据具体情况调整服务器地址、负载均衡算法、健康检查配置等。此外，Nginx 还支持更高级的配置，如使用 upstream 模块中的 hash、url_hash、least_time 等指令，以及通过 map 模块进行更复杂的请求路由。

3.8 配置访问控制

在 Nginx 中，访问控制通常是通过 location 指令和 allow、deny 指令来实现的。这些指令可以定义哪些客户端（基于 IP 地址）被允许访问特定的位置（URL 或路径）。以下是一个简单的访问控制配置示例：

http {
    server {
        listen 80;
        location / {
            # 允许来自特定IP地址的访问
            allow 192.168.1.0/24;
            # 拒绝来自特定IP地址的访问
            deny all;
        }
        location /private/ {
            # 只允许来自特定IP地址的访问
            allow 192.168.1.10;
            # 拒绝其他所有IP地址的访问
            deny all;
        }
    }
}

在这个例子中：

• allow 指令用于指定允许访问的 IP 地址或地址范围。例如，192.168.1.0/24 表示允许来自 IP 地址 192.168.1.0 到 192.168.1.255 的访问。
• deny 指令用于指定拒绝访问的 IP 地址或地址范围。使用 all 表示拒绝所有不匹配 allow 指令的 IP 地址。
• location 指令用于匹配特定的 URL 或路径。当请求的 URL 匹配到某个 location 时，相应的 allow 和 deny 指令将被应用。
  请注意，allow 和 deny 指令在同一个 location 中使用时，allow 指令的优先级高于 deny 指令。这意味着如果请求的 IP 地址同时匹配到 allow 和 deny，请求将被允许。
  此外，Nginx 还支持使用 geo 模块进行基于地理位置的访问控制，以及使用 map 模块进行更复杂的访问控制策略。这些功能可能需要额外的配置和模块支持。

3.9 配置日志

Nginx 的日志配置通常包括访问日志和错误日志。访问日志记录了客户端的请求信息，而错误日志记录了 Nginx 的错误信息。以下是如何配置这两种日志的示例：

3.9.1 访问日志

访问日志的配置通常在 http 块中进行，使用 log_format 指令定义日志的格式，然后使用 access_log 指令指定日志文件的路径和名称。

http {
    log_format combined_with_time '$remote_addr - $remote_user [$time_local] '
                                 '"$request" $status $body_bytes_sent '
                                 '"$http_referer" "$http_user_agent" "$http_x_forwarded_for"';
    server {
        listen 80;
        location / {
            # 其他配置...
        }
        access_log /var/log/nginx/access.log combined_with_time;
    }
}

在这个例子中：

• log_format 指令定义了一个名为 combined_with_time 的日志格式，它包括了客户端的 IP 地址、用户、请求时间、请求方法、状态码、传输的字节数、引用来源、用户代理和 X-Forwarded-For 头部。
• access_log 指令指定了日志文件的路径和名称，以及使用的日志格式。

3.9.2 错误日志

错误日志的配置通常在 http 块中进行，使用 error_log 指令指定日志文件的路径和名称。

http {
    # 其他配置...
    server {
        listen 80;
        location / {
            # 其他配置...
        }
        error_log /var/log/nginx/error.log;
    }
}

在这个例子中：

• error_log 指令指定了错误日志文件的路径和名称。

3.9.3 日志滚动

Nginx 也支持日志滚动，这意味着当日志文件达到一定大小时，它会自动切换到下一个文件。这可以通过 logrotate 指令配置。

http {
    # 其他配置...
    server {
        listen 80;
        location / {
            # 其他配置...
        }
        access_log /var/log/nginx/access.log combined_with_time;
        error_log /var/log/nginx/error.log;
        logrotate {
            daily;
            rotate 7;
            postrotate
                /usr/sbin/nginx -s reopen;
            endscript;
        }
    }
}

在这个例子中：

• logrotate 指令配置了日志的滚动策略，daily 表示每天滚动一次，rotate 7 表示保留最近的 7 个日志文件。
• postrotate 指令用于在日志滚动后执行命令，这里是通过 nginx -s reopen 命令重新打开日志文件。
  请注意，这些示例仅用于说明 Nginx 日志配置的基本方法。在实际应用中，您可能需要根据具体情况调整日志格式、路径、滚动策略等。此外，Nginx 还支持更高级的日志配置，如使用 log_format 指令自定义日志格式，以及通过 map 模块进行更复杂的日志处理。

3.10 测试和优化

Nginx 的测试和优化可以通过多种方式进行，包括负载测试、性能测试、配置优化和代码级优化。以下是一些基本的步骤和方法：

3.10.1 负载测试

负载测试可以帮助你了解 Nginx 在高负载情况下的性能。可以使用工具如 Apache Bench（ab）或wrk来进行测试。
例如，使用 Apache Bench 进行测试的命令如下：

ab -n 1000 -c 100 http://your-nginx-server.com/

这个命令会向指定的 Nginx 服务器发送 1000 个请求，每次发送 100 个请求。

3.10.2 性能测试

性能测试可以帮助你了解 Nginx 的处理能力和响应时间。可以使用工具如 Siege 进行测试。
例如，使用 Siege 进行测试的命令如下：

siege -c 100 -r 1000 http://your-nginx-server.com/

这个命令会使用 100 个并发用户对服务器进行性能测试。

3.10.3 配置优化

优化 Nginx 的配置文件可以显著提高性能。以下是一些常见的优化建议：

• 减少 HTTP 头部的传输大小。
• 开启 GZIP 压缩。
• 使用 expires 指令设置缓存过期时间。
• 使用 limit_req 模块限制请求速率。
• 使用 limit_conn 模块限制并发连接数。
  例如，以下配置可以减少 HTTP 头部的大小并开启 GZIP 压缩：

http {
    server {
        listen 80;
        location / {
            # 开启 GZIP 压缩
            gzip on;
            # 设置最小压缩文件大小
            gzip_min_length 1k;
            # 压缩缓冲区大小
            gzip_buffers 16 8k;
            # 设置压缩级别，1 压缩速度最快，9 压缩率最高，通常设置为4
            gzip_comp_level 4;
            # 对指定的 MIME 类型生效
            gzip_types text/plain application/javascript application/x-javascript text/javascript text/xml text/css;
        }
    }
}

3.10.4 代码级优化

如果需要更深入的优化，可以修改 Nginx 的源代码。这通常涉及到内核级别的优化，需要具备相应的编程技能和知识。
例如，可以修改 Nginx 的 ngx_http_core_module 模块来优化 HTTP 请求的处理。

3.10.5 日志分析

分析 Nginx 的日志文件可以帮助你了解服务器的性能和问题所在。可以使用工具如 awk、grep 或 logstash 进行日志分析。
例如，使用 grep 查找所有 500 内部服务器错误的日志：

grep '500 Internal Server Error' /var/log/nginx/error.log

3.10.6 使用性能监控工具

使用性能监控工具如 Prometheus 和 Grafana 可以帮助你实时监控 Nginx 的性能指标，并进行相应的优化。
通过这些测试和优化方法，你可以了解 Nginx 的性能瓶颈，并采取相应的措施来提高其性能。请注意，优化应该是一个持续的过程，需要根据实际情况和需求进行调整。