上海船舶运输科学研究所学报JOURNAL OF SHANGHAI SHIP AND SHIPPING RESEARCH INSTITUTE Vol.44No.1 Mar.2021
441
20213
文章编号：1674-5949(2021)01-0060-05
云联网平台中的应用
伍春生
(中远海运科技股份有限公司，上海200135)
摘要：为有效解决高速公路视频云联网平台并发访问能力较差的问题，采用Nginx负载均衡技术处理该平台应用层的请求。深入分析加权负载均衡算法，综合各服务器的性能指标，建立高效的服务器设定权值数学计算模型°采用该模型计算得到各服务器设定的权值，据此分配客户端请求，使各服务器资源得到充分利用，显著提高平台的并发访问能力° 关键词：Nginx负载均衡；权值；并发
中图分类号：U495文献标志码:A
Application of Nginx Load Balancing Technology in Expressway
Video Cloud Networking Platform
WU Chunsheng
(COSCO SHIPPING Technology Co.$Ltd.$Shanghai200135,China)
Abstract:Nginx load balancing technology is introduced into currently used highway video cloud networking platform to handle the requests on application layer so as to improve is concurrent access capability.The load balancing weighting algorithm is studiedin-depthandane f icientmathematicalcalculation modelisbuilttoassign weightstoa l serversaccordingtotheper-formanceparameterindicatorsofeachserver.Clientrequestsarea l ocatedtoserversaccordingtotheirweightssoastoensure theresourcesofa l serversarefu l yutilized$therefore$theconcurrencyoftheplatform.
Key words:Nginx load balancing；weight；concurrency
0引言
根据交通运输部发布的《全国高速公路视频联网监测工作实施方案》的要求，全国高速公路视频监测设施要实现全网联通和视频资源实时在线共享，同时高速公路视频云联网平台需具有一定的并发访问能力’高速公路视频云联网平台的用户比较多，用户可通过Web端、APP和访问该平台，访问量通常比较大，因此需采用合适的负载均衡技术处理客户端的请求。目前应用最广泛的负载均衡软件有Nginx、HAProxy和LVS(Linux Virtual Server)。本文采用Nginx负载均衡技术处理客户端请求，综合分析Nginx 内置的多种负载均衡算法的优劣，比选出合适的负载均衡算法。同时，结合服务器的中央处理器(Central Processing Unit,CPU)、内存、磁盘IO和网络带宽等不同性能指标，综合计算出各服务器初始设定的权值，进而提高各服务器的资源利用率和系统的并发访问能力，为用户提供更优质的服务。
收稿日期=2020-12-30
作者简介：伍春生(1993—)，男，安徽芜湖人，硕士生，主要从事智慧公路大数据平台研究°
伍春生：Nginx负载均衡技术在高速公路视频云联网平台中的应用61
1研究现状
Nginx是一种高性能的反向代理服务器，目前很多主流互联网公司都采用这种技术实现负载均衡。负载均衡一直是服务端研究领域内的热点问题「门，当前已有很多学者对Nginx负载均衡技术进行研究，通过对该技术的性能进行深度优化，使其更好地服务于应用系统，为用户提供更好的上网体验。刘振宇「2+和陈大才⑶从影响并发负载均衡的因素和服务器的性能出发，对历史数据进行训练，得到各服务器的响应预测时间模型，通过将当前的请求分配给预测响应时间最短的服务器，提高服务器集中请求分配的均衡性。王利萍⑷和余钦水等囚提出一种动态自适应负载均衡算法，对后端服务器集最近一段时间内的请求响应时间进行数学分析，根据分析所得结果对各服务器的权值进行重新计算，实现动态调整请求分配策略。服务器负载均衡并不是单一的技术，而是由多种技术组合而成的体系「6+。当客户端发送请求时，负载均衡策略会将客户端发送的请求分配到最空闲的服务器中处理⑺，整个过程对客户端是完全透明的，用户只感觉到是1台服务器在提供服务。
本文将当前主流的互联网负载均衡技术应用到高
功率因数测量电路速公路视频云联网平台中，采用Nginx加权负载均衡
算法建立高效的权值计算数学模型，为每个服务器设
置最优的权值，进而提高整个系统的负载均衡能力。
图1为Nginx负载均衡主要过程。
2Nginx负载均衡算法分析
图1Nginx负载均衡主要过程不同的负载均衡算法对系统的性能有不同的影响，因此为高效地利用各服务器资源「8+，向用户提供优质的服务，应选取合适的负载均衡算法。同时，随着平台用户量的不断增多，平台的并发访问量不断增加，可通过适当增加服务器节点提高系统的并发能力。Nginx内置有多种负载均衡算法，包括轮询算法、IP哈希算法、最小连接数算法和加权负载均衡算法等。下面详细分析这些算法的优缺点。
2.1轮询算法
轮询算法是按客户端发送请求的先后顺序逐一将请求分配到后端服务器的算法，是Nginx中最简单的负载均衡算法，适用于后端服务器性能均衡的情况。但是，对于实际的应用场景而言，受硬件等各方面因素的影响，各后端服务器的性能差异很大，若采用该算法，性能较差的服务器易出现过载或宕机的问题，性能较好的服务器的资源不能得到有效利用，大部分时间处于空闲状态。
2.2IP哈希算法
IP哈希算法的原理是每次对发送请求的客户端的IP地址进行哈希计算，根据得到的哈希值将其映射到对应的后端服务器上，在Nginx内部默认设置“如果连续20次以上获取服务器失败，将会启动轮询算法分配该请求IP哈希算法的优点在于，相同的IP地址请求会被映射到同一台服务器上，从而保持客户端与后端服务器的长连接。然而，该优点会导致IP哈希算法存在非常大的隐患，即当同一时刻大量IP地址相同的客户端发送请求时，若这些请求的哈希值相同，则会被分配到同一台服务器上，此时该服务器的压力非常大，而其他服务器较为空闲，存在请求负载不均衡的问题。
2.3最小连接数算法
最小连接数算法在分配客户端请求时始终遵循一条规则，即将请求分配给当前连接数最小的后端服务器节点处理。每台服务器都有一个记录请求数count，接收到请求时count执行加1处理完一个请求时count执行减1，因此每次count值最小的服务器都会分配到请求。但是，不同请求对应的任务不同，其
资源的消耗也不同，仅依靠服务器的请求连接数不能直观反映服务器真实的负载情况。
2.4加权负载均衡算法
加权负载均衡算法的原理是在Nginx的upstream模块中为每台服务器设定一个权值(weight)，当接收到客户端发送的请求时，Nginx会根据既定的权值更配请求。该算法有3个重要参数，即设定权值(effect, weight)、当前权值(current—weight)和总权值(total_weight)，每次执行完请求之后，服务器权值都执行减1操作，当服务器当前权值为0时，对其标志位down进行设置，若所有服务器的权值都为0，则当前轮询结束,
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系统发出结束指令。该算法有很强的适应能力，在分
配请求过程中不依赖客户端的任何信息，完全依靠后 端服务器已设置的权值分配请求。对于该算法无法保
证用户长连接的问题，可通过JWT 和cookie 等方式 解决，这样能同时具备IP 哈希算法的优点。该算法的
流程见图2。
综合以上分析可知，相比IP 哈希算法和最小连接 数算法，Nginx 加权负载均衡算法具有更强的适应能
力，能更合理地利用每个服务的性能特点进行负载均 衡。但是，服务器权值设置对整个系统的负载均衡能 力有很大影响，因此Nginx 加权负载均衡算法权值的 设定对整个算法的性能有决定性影响。服务器性能指
标包括CPU 使用率(Use CPu )、CPU 上下文切换率、内 存使用率(Use memor y )，请求响应时间、磁盘IO 使用率
图2加权负载均衡算法流程
(Use dis k ).网络带宽使用率(Use nQ 、空闲存储器比率和活跃任务总处理时间等。本文选取CPU 、
内存 (RAM )、磁盘IO 和网络带宽等4个指标建立服务器权值计算数学模型，得出每个服务器的权值，提高系统
的负载均衡能力和各服务器的资源利用率。
3加权负载均衡算法权值计算数学模型建立
Nginx 加权负载均衡算法的核心是为不同性能的服务器设定权值。若权值设定过大，会导致该服务器 出现过载甚至宕机的风险；若权值设定过小，会导致该服务器资源不能得到有效利用。因此，需合理结合各
服务器性能指标计算出每台服务器的权值。
本文采用内存、CPU 、磁盘IO 和网络带宽作为服务器权值计算的参数。Sum 表示服务器各部分性能总
和，N ?表示第i 台服务器，其中i 5 (1,2,3,・・・，n )，有
Sum memory =
4n
o 1memory(N z ) (1)S uiucpu =
4n
o 1
CPU(M) (2)Sum disk =
4：
o1disk(M) (3)Sum net
= 4：o 1
net(N 2)中国式养老困局
(4)
式⑴〜式(4 )中：Sum memor y 为服务器内存性能总和；S ur cpu 为服务器CPU 性能总和；Sum dsk 为服务器磁盘
IO 性能总和；Sum net 为网络带宽性能总和。
对于单个服务器权值的计算，分别将该服务器的内存、CPU 、磁盘IO 和网络带宽与服务器整体的比值
乘以系数“即可得到服务器的实际权值。
Weight(N » =(mem°y ・ S R mmr (
N 2 十兀卩卩
memory
Sum cpu (N i ) +Sum cpu
"disk
Sum dsk (N»
Sum dsk "net
Sum net (N »)Sum net
(5 )
A
式⑸中：Weight(M )为第i 台服务器的实际权值(若有小数，则取整数部分);A 为常数；Sum memor y (N Q 、
S ur cpu (M)、Sum disk(M)和SumnMM)分别为第.台服务器的内存、CPU 、磁盘IO 和网络带宽的情况；5
(1,2,3,・・・，n )；"m e m °y 、"CPU 、"disk 和"net 分别为第i 个服务器节点的内存、CPU 、磁盘IO 和网络带宽占整个服务器的比重。
memory
"CPU 、"disk 和"net 满足
"memory 十"CPU 十"disk 十"net 丄
下面分别计算服务器内存、CPU 、磁盘IO 和网络带宽的使用率。
婚姻保卫战片尾曲1)内存使用率。在计算内存使用率时，涉及的主要参数有总内存(MemoryToal )、缓存(Cache)和文件
(6
)
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缓存(BufferFile )等。
Use memery = (MemoryTotal — (MemoryFree + Cache + BufferFile) )/MemoryTotal
(7)
2) CPU 使用率。在计算CPU 使用率时，需取2个时间间隔足够短的力和N $1与N 的差值TimeTo-
tal 为该时间段CPU 总的使用时间，有
TimeTotal = N 2 — N 1
(8)
在N 1与N 2时间段,CPU 的空闲时间只需将N 时刻的空闲时间减去N 1时刻的空闲时间即可求得，即
LeisureTime = LeisureTime2 — LeisureTime1 (9)
式(9)中:LeisureTime 为CPU 在N 与N 2时间段内的空闲时间;LeisureTime1和LeisureTime2分别为N 和 ®时间段内除IO 等待时间外的其他等待时间。
综上可计算出CPU 的使用率Use cpu 为
Use CPU = (TimeTotal — LeisureTime)/TimeTotal
(10)
3) 磁盘IO 使用率。磁盘IO 相关数据可通过iosatd -x-kl2命令获取，如每秒读写次数、每秒读写数据 量和磁盘IO 使用率。
4) 网络带宽使用率(Use net )'记录N 1和N 2时刻网络中接收和发送的字节数值(此时以“byte ”为单位),
h 时刻发送和接收的文件大小为OutSize1和InSize1$2时刻发送和接收的文件大小为OutSize2和InS-
ize2，有
Use n et = (InSize2 — InSize1 + OutSize2 — OutSize1) X 8/(1 000 000 ・ BandWidth ) (11)
式(11)中:BandWidth 为网络带宽，注意N 1与N 时间段网络接收和发送总量的单位与网络带宽的单位不统
一，需进彳转换。
通
述计算为每台服务器设置权值，负载均衡一段时间之后，各服务器节点资源的使用情况为
Use(2°) (^memory
・ UJs6m e mory !
2t ) P "cpu ・ Use .pu (N t ) P "disk ・ Usedisk(2j) P "net ・ Use net (2z ) (12)
式(12)中:Use(M)为第t 台服务器资源使用率；Use …(M)、Usecpu (2Q 、Us* (M )和UsenMM)分别
为当前服务器内存、CPU 、磁盘IO 和网络带宽的使用率&5 (1,2,3,・・・()。
4结果展示与分析
宁夏高速公路视频云联网平台目前已上线试运行，截至2020年12月17日，当月平台总访问量为4 751
次，平台运行稳定，请求响应时间也较为理想。图3为宁夏高速公路视频云联网平台主页。通过查询后台日 志可看到，目前部署的124. 70. 31. 141服务器和124. 70. 31. 55服务器是按计算设定的权值分配客户端请求
的，为用户提供可靠的服务，2台服务器后台日志状态见图4。
ns
离线
warn 驶
公众访问热斂计
交通事臟计
I 般闪 烁
■
常
■
行
堵
宁夏高速公路视频联网云平台
G1816乌玛高运S15盐鄂高速G2004W 勒
G6京藏高速
公祸可计
G69银百高速
S6Q 固 E ffi®S40萌海高速G2012定武高薑
畫講舷时雌
G lr ,,,mm
SB
I 4751
图3宁夏高速公路视频云联网平台主页
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.4,1 出 055
SRMRKti :Uitaen DS^cnW 占 Q 1
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2021-01-15 10:99:38,163:INFO ForkJoinPool monPool-worker-9 (SCamQualityServicelmpl java 192) •上传摄像机在线状态至部中心成功，更新上传时间，s :anQualitytS 为：SCam()uality(id=ff8O8081748b0c6e017492b3e2b0160f cameraNum=la9affaO-4b8e-3790-82c0-7cb8cl28c2ad, cameraName=nuU, streamM, i 5NetOnline=0i isBlackscreen=0, isOcclusion=e, isBlur=0, isBrightAbnormal^, isFrozen=0, isNoise=0, isTwinkle=O, isRollingstripe=0，叩QualityTijiie= lull, isOnline=O, upOnlineTime=Fri Jan 15 10:09:37 CST 2021, createBy=nuU createTime=2O2O-09-16 00:58:17.0, updateBy^njll, updateTime=Fri Jan 1 j 10:09:37 CST 2021, isVoid=9, locTimeZone=nuU, companyCode=nuU, departmentCode=n 讥薔 aUQuality=900000008)
2021-01-1510:O9:38,181:INFO imonPool-worker.9 (SCanQualityServicelmpl.java:192)-上传摄像机在线状态至部中心成功，更新上传时间，s :amQuality 修改为：SCam()uality(id=ff808081748b0c6e917492b567991615, cameraNum=38746cd2-ebe2-3dda-afb7-2a6al7ca0aae, cameraNane=n 讥I, streanM, i sNetOnline=0, isBlackscreen=9, is0cclusion=9, isBlur^), isBrightAbnomal=0, isFrozen=9, isNoise=0, isTwinkle=9, isRollingstripe=0, upQualityTime= uiU, isOnline=l, upOnlineTime=Fri Jan 15 10:09:37 CST 2021, createBy=nuU, createTime=2020-09-16 00:59:56.0, updateBy=ruiL updateTime=Fri Jan 1 j 10:09:37 CST 2021, isVoid=0, locTijneZone=nuU companyCode=nuU, departmentCode=nuU, aUQuality=9008000O0)
2021-01-15 10:09:38,199:INF0 ForkJoinPoolmonPool-worker-9 (SCanQualityServiceImpl.java:192) •上传摄像机在鍬态至部申心成功，更新上传时间，s :anQuality 修改为；SCamQuality(id=ff8眦81748b0c6eei7492b6c9131797, cameraNum=b725c07d-5b04-36a4-a3a5-558495f7c39d, caineraNane=nuU streamld=0, i 5NetOnline=0, isBlackscreen=9( is0cclusion=9, isBlur=6, isBrightAbnonnal=6, isFrozen^, isNoise=6( isTwinkle=9, isRollingstripe=0, upQualityTijne= wU, is0nline=9, upOnlineTime=Fri Jan 15 10:09:37 CST 2021, createBy=nuU, createTime=2020-O9-16 91:01:27.0, updateBy=nuU, updateTime=Fri Jan 1 j 10:09:37 CST 2021, isVoid=9, locTimeZone=nuU, companyCode=nuU, departmentCode=n 讥I, aUQuality=00000090O)
a ) 124. 70. 31. 141 服 -
b ) 124. 70. 31. 55 服务器
图4 124. 70. 31. 141服务器和124. 70. 31. 55服务器后台日志状态
获取2020年12月15日09(6—10(6时间段，在10(4—10(6时间段出现114个用户并发访问，此 时系统的响应时间可有效反映采用本文建立的数学计算模型得出的服
分配方案是高效的、可行的。
5 6分别为宁 速公路 网平台线 发连接数和线 时间。 5 6中可
看出，在并发访问用户为114个的
，系统
时间为0.651 400 s 。
48
37
00
最大值最小值6.514 00 0.031 75
:32
8
6
4
2
-叵富归=3
0▼间
时图5宁夏高速公路视频云联网平台线上并发连接数 图6宁夏高速公路视频云联网平台线上请求响应时间
5结语
cag
本文从实际问题出发，深入研究了 Nginx 加权负载均衡算法，提出了一种高效的权值计算数学模型，综 合考虑各服 的 性能 ，为其设 的 ，使系统在分 中充分利用各服 的性
能，大大提升系统的并发能力，缩短系统的 时间。目前 网平台还处于线 ，系统的
发 峰 来，考虑
后正式上线推广使用，保证平台能承受10万个用 发访问，应用层会随着
用户的增多而适当 服 ，提升
发能力。下一步 持 ，主要工作是对数据库分库分
复制等 ，弓 性能非关系型数据库Redis 作为缓存，缓解数据库层的压力等。
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