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Nginx 与负载均衡

Nginx 提供反向代理、HTTP 路由和负载均衡。本文负责连接模型、代理参数、LVS 模式与错误诊断。

1. 面试核心

先记住这几条，再读正文

事件驱动。 Nginx worker 用事件循环处理连接，Linux 下可使用 epoll。卡 · Nginx 的结构与常用配置
负载均衡层次。 四层按连接分发，七层可按 HTTP 域名、路径和头部路由。卡 · 负载均衡
连接缓存。 keepalive 指定每个 worker 的上游空闲连接缓存。卡 · 连接容量
读取超时。 proxy_read_timeout 限制相邻两次读取间的等待时间。卡 · 代理超时与重试
网关错误。 502 指向上游通信异常，504 指向网关等待上游超时。卡 · 502 与 504

2. Nginx 的结构与常用配置

常考卡 · Nginx 有什么作用？它为什么能支撑很高的并发？与 Apache 有什么区别？卡 · worker_connections 与 keepalive 能直接算出业务并发上限吗？

master 读取配置并管理 worker。worker 通过事件循环处理已就绪的网络操作。worker_processes auto 根据可用 CPU 自动设置数量。

非阻塞网络 I/O 能让少量 worker 管理大量连接。磁盘访问、复杂计算或阻塞模块仍会拖慢事件循环。文件 I/O 可按平台和配置使用异步机制或线程池。

Apache 的 prefork、worker 与 event MPM 有不同模型。比较性能应说明使用的 MPM、模块与工作负载。

下面片段放在 http 上下文中。

upstream backend {
    least_conn;
    server 10.0.0.11:8080 weight=2 max_fails=3 fail_timeout=10s;
    server 10.0.0.12:8080 max_fails=3 fail_timeout=10s;
    keepalive 64;
}
server {
    listen 8080;
    server_name example.com;

    location /static/ {
        root /data/www;
        expires 7d;
    }
    location /api/ {
        proxy_pass http://backend;
        proxy_http_version 1.1;
        proxy_set_header Connection "";
        proxy_set_header Host $host;
        proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;
        proxy_connect_timeout 3s;
        proxy_read_timeout 30s;
    }
}

/static/a.css 映射到 /data/www/static/a.css。上游接收到的请求仍带 /api/ 前缀。HTTP/1.1 与清空 Connection 配合上游连接复用。

Nginx 1.29.7 前默认代理 HTTP/1.0。1.29.7 起默认是 HTTP/1.1。显式配置便于跨版本说明意图。

nginx -t 检查配置语法及引用文件。通过后可用 nginx -s reload 重载。master 成功应用新配置后，启动新 worker。旧 worker 完成已有请求后退出。

2.1 连接容量

worker_connections 约束每个 worker 的连接数。客户端和上游连接都占用额度。HTTP 反向代理的一次活跃请求可占两侧连接。

文件描述符上限也约束实际容量。因此，worker 数量乘连接额度只给出粗略上界。HTTP/2 多路复用和上游复用还会改变比例。

keepalive 64 表示每个 worker 缓存最多 64 条空闲连接。活跃上游连接可超出该值。上游并发控制需另行配置和评估。

3. 负载均衡

常考卡 · 四层负载均衡和七层负载均衡有什么区别？Nginx 和 LVS 怎样选择？LVS 有哪几种模式？

算法	配置	适用条件
加权轮询	`weight`	按后端能力分配请求
最少连接	`least_conn`	请求占用时间差异较大
IP 哈希	`ip_hash`	需要按地址粘滞，注意 NAT 聚集
一致性哈希	`hash $request_uri consistent`	缓存按键分布

被动健康检查记录上游失败。max_fails=3 fail_timeout=10s 表示窗口内达到三次失败。后端随后在指定时段内被视为不可用。失败类型受 proxy_next_upstream 等配置影响。只有一个后端时，max_fails 与 fail_timeout 会被忽略。

四层关注连接与地址端口，七层解析应用协议。Nginx stream 也能提供四层代理。四层全代理会拆成两条连接，LVS NAT、DR 则转发原连接。具体性能需结合实现、TLS 和请求负载测试。

LVS 模式	请求与响应路径
NAT	改写目的地址；响应也经调度器反向转换
DR	修改目的 MAC；后端直接响应客户端
TUN	封装转发；后端解封装后直接响应

DR 要求调度器和后端处于可直达的二层网络。后端配置 VIP，并约束 VIP 的 ARP 应答。TUN 依赖隧道和底层可达性。绕过响应流量可减轻调度器带宽压力。

FULLNAT 属于特定 LVS 扩展实现，例如阿里 LVS。它同时改写源、目的地址。TOA 等扩展可传递客户端地址，需两端配合。部署时需确认实现支持。

Keepalived 可用 VRRP 协调 VIP 主备切换。健康检查还可维护 LVS 后端列表。接管 VIP 后，业务恢复仍依赖容量和连接状态。

4. 502 与 504

常考卡 · Nginx 返回 502 和 504 分别是什么原因？怎样排查？和 500 有什么区别？

状态	解释与线索
500	当前响应方内部错误，可由应用或代理产生
502	上游连接失败、无有效响应或无可用后端
503	服务不可用；Nginx limit_req 默认拒绝码
504	网关等待上游超时
499	Nginx 日志记录客户端提前关闭

上游返回的状态码也可被代理直接传递。应结合 upstream_status、错误日志与应用日志定位。无可用上游的 no live upstreams 对应 502。

查看 error.log，确认连接、响应头或读取阶段。
对比 upstream_addr、upstream_status 与各阶段耗时。
核对异常后端的监听、负载、线程池和依赖。
检查超时、连接复用及重试配置。
用用户请求成功率与延迟验证修复。

Connection refused 表示连接遭到明确拒绝。进程未监听是原因之一，策略拒绝也需核对。upstream timed out 则需结合日志中的阶段定位。

5. 代理超时与重试

常考卡 · proxy_read_timeout=30s 会限制总响应时间吗？POST 超时能否换后端重试？

proxy_connect_timeout 控制上游建连等待。proxy_send_timeout 控制相邻写操作间的等待。proxy_read_timeout 控制相邻读操作间的等待。持续返回数据的响应可超过该读取超时值。

proxy_next_upstream 配置失败后换后端的条件。proxy_next_upstream_tries 限制重试次数。proxy_next_upstream_timeout 限制总重试窗口。响应已发给客户端后，换后端无法重新完成该响应。

已发给上游的 POST 等非幂等请求，默认不会这样重试。non_idempotent 会放宽该限制。业务重试仍需幂等键，因为超时后原请求也可能已提交。

6. 路径映射与真实地址

常考卡 · proxy_pass 末尾斜杠有什么影响？怎样可信地取得客户端地址？

在普通前缀 location 中，proxy_pass 的 URI 决定替换方式。

location /api/ {
    proxy_pass http://backend/;
}

请求 /api/users 会转为上游 /users。去掉 backend 后面的斜杠，则保留 /api/users。正则 location 和带变量配置有额外规则。

root 将 URI 拼到根目录后。alias 将匹配的位置替换为指定路径。静态文件排查应根据最终映射检查路径权限。

X-Forwarded-For 可携带代理链地址，客户端也能伪造该头。real_ip 模块需用 set_real_ip_from 指定可信代理。源地址用于限流或审计前，必须明确可信入口。

7. 请求限流

常考卡 · limit_req 的 burst 与 nodelay 分别做什么？

limit_req_zone $binary_remote_addr zone=perip:10m rate=10r/s;
server {
    listen 8081;
    location / {
        limit_req zone=perip burst=20 nodelay;
        limit_req_status 429;
        proxy_pass http://backend;
    }
}