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Web Server Load Balancing with NGINX Plus
Mohamed Gougam of F5
软件工程师
2019-06-17

尽管微服务架构有诸多优势，但它也带来了新的挑战。其中一个挑战是在处理请求时对其进行追踪，因为请求数据在组成应用的所有微服务之间流动。为此，一种被称为分布式（请求）追踪的新方法用来解决这一挑战， OpenTracing 供一组规范和标准的 API，旨在指导分布式追踪工具的设计和实施。

在 NGINX Plus Release 18 (R18) 中，NGINX 官方将 NGINX OpenTracing 模块添加到 NGINX Plus 动态模块库中（它已经作为第三方模块被使用了数年)。NGINX OpenTracing 模块的一大优势是，通过对 NGINX 和 NGINX Plus 进行分布式追踪，您可以获得每个代理应用的追踪数据，而无需单独对应用进行追踪。

在这篇博客中，我们将展示如何为 NGINX 或 NGINX Plus 启用分布式请求追踪（为简洁起见，我们从现在起只提及 NGINX Plus）。我们将讨论两个分布式追踪服务（在 OpenTracing 术语中为“追踪器 [tracer]”） — Jaeger 和 Zipkin。（关于其他追踪器的列表，请见 OpenTracing 文档)。为了说明追踪器提供的信息类型，我们比较了启用 NGINX Plus 缓存前后的请求处理。

追踪器有两个基本组件：

  • 一个是代理，用于从运行应用的主机上收集跟踪数据。在我们的示例中，“应用”是 NGINX Plus，代理作为插件
  • 一个是服务器（也称为“收集器”），它接受来自一个或多个代理的追踪数据，并在一个集中的用户界面上显示。您可以选择在 NGINX Plus 主机或其他主机上运行服务器。

 

安装追踪器服务器

第一步是根据您选择的追踪器在服务器上进行安装和配置服。我们现在为 Jaeger 和 Zipkin 提供说明；对其他追踪器则根据需要进行调整。

安装 Jaeger 服务器

我们建议使用以下方法安装 Jaeger 服务器。您也可以在步骤 1 中指定的 URL 下载 Docker 镜像。

  1. 导航到 Jaeger 下载页面并下载 Linux 二进制文件（在编写本文时，jaeger-1.12.0-linux-amd64.tar）。

  2. 解压二进制文件运行，或将二进制文件移到 /usr/bin 目录，然后运行。

    $ mkdir /usr/bin/jaeger
$ mv jaeger-1.12.0-linux-amd64.tar /usr/bin/jaeger
$ cd /usr/bin/jaeger
$ tar xvzf jaeger-1.12.0-linux-amd64.tar.gz
$ sudo rm -rf jaeger-1.12.0-linux-amd64.tar.gz
$ cd jaeger-1.12.0-linux-amd64
$ ./jaeger-all-in-one

  3. 验证您能否在浏览器中访问 Jaeger UI，访问地址为 http://Jaeger-server-IP-address:16686/（16686 是 Jaeger 服务器的默认端口）。

安装 Zipkin 服务器

  1. 下载并运行 Zipkin 的 Docker 镜像（我们使用默认端口 9411）。

    $ docker run -d -p 9411:9411 openzipkin/zipkin

  2. 验证您能否在浏览器中访问 Zipkin Ui，访问地址为 http://Zipkin-server-IP-address:9411/。

 

安装和配置追踪器插件

在 NGINX Plus 主机上运行这些命令，为 Jaeger 或 Zipkin 安装插件。

安装 Jaeger 插件

  1. 安装 Jaeger 插件。以下 wget 命令适用于 x86‑64 Linux 系统：

    $ cd /usr/local/lib
$ wget https://github.com/jaegertracing/jaeger-client-cpp/releases/download/v0.4.2/libjaegertracing_plugin.linux_amd64.so -O /usr/local/lib/libjaegertracing_plugin.so

    GitHub 上提供了从源代码构建插件的说明。

  2. 为插件创建一个 JSON 格式的配置文件，命名为 /etc/jaeger/jaeger-config.json，内容如下。我们使用 Jaeger 服务器的默认端口 6831：

    {
  "service_name": "nginx",
  "sampler": {
    "type": "const",
    "param": 1
  },
  "reporter": {
    "localAgentHostPort": "Jaeger-server-IP-address:6831"
  }
}

    有关采样器对象的详细信息，请参见 Jaeger 文档。

安装 Zipkin 插件

  1. 安装 Zipkin 插件。以下 wget 命令适用于 x86‑64 Linux 系统：

    $ cd /usr/local/lib
$ wget -O - https://github.com/rnburn/zipkin-cpp-opentracing/releases/download/v0.5.2/linux-amd64-libzipkin_opentracing_plugin.so.gz | gunzip -c > /usr/local/lib/libzipkin_opentracing_plugin.so

  2. 为插件创建一个 JSON 格式的配置文件，命名为 /etc/zipkin/zipkin-config.json，内容如下。我们使用 Zipkin 服务器的默认端口 9411：

    {
  "service_name": "nginx",
  "collector_host": "Zipkin-server-IP-address",
  "collector_port": 9411
}

    有关配置对象的详细信息，请参阅 GitHub 上的 JSON 模式。

 

配置 NGINX Plus

在 NGINX Plus 主机上执行以下操作步骤。

  1. 根据 NGINX Plus 管理指南中的说明安装 NGINX OpenTracing 模块。

  2. 在主 NGINX Plus 配置文件 (/etc/nginx/nginx.conf) 的主（顶层）上下文中添加以下 load_module 指令：

    load_module modules/ngx_http_opentracing_module.so;

  3. 将以下指令添加到 NGINX Plus 配置中。

    如果您使用传统的配置方案，请将指令放在一个名为 /etc/nginx/conf.d/opentracing.conf 的新文件中。同时验证以下 include 指令已经出现在 /etc/nginx/nginx.conf 的 http 上下文中：

    http {
    include /etc/nginx/conf.d/*.conf;
}
    • opentracing_load_tracer 指令启用追踪器插件。根据需要取消 Jaeger 或 Zipkin 的指令注释。
    • Opentracing_tag 指令将 NGINX Plus 变量作为 opentracing 标记显示在追踪器 UI 中。
    • 要调试 OpenTracing 活动，请取消 log_format 和 access_log 指令的注释。如果要将默认的 NGINX 访问日志和日志格式替换为此格式，请取消注释这些指令，然后将 “opentracing” 的三个实例更改为 “main” 。另一个选项是仅针对 9001 端口上的流量记录 OpenTracing 活动 — 取消 log_format 和 access_log 指令的注释，并将它们移动到服务器块中。
    • 服务器块为下一节中描述的 Ruby 示例应用设置 OpenTracing。
    # Load a vendor tracer
#opentracing_load_tracer /usr/local/libjaegertracing_plugin.so 
#                        /etc/jaeger/jaeger-config.json;
#opentracing_load_tracer /usr/local/lib/libzipkin_opentracing_plugin.so
#                        /etc/zipkin/zipkin-config.json;

# Enable tracing for all requests
opentracing on;

# Set additional tags that capture the value of NGINX Plus variables
opentracing_tag bytes_sent $bytes_sent;
opentracing_tag http_user_agent $http_user_agent;
opentracing_tag request_time $request_time;
opentracing_tag upstream_addr $upstream_addr;
opentracing_tag upstream_bytes_received $upstream_bytes_received;
opentracing_tag upstream_cache_status $upstream_cache_status;
opentracing_tag upstream_connect_time $upstream_connect_time;
opentracing_tag upstream_header_time $upstream_header_time;
opentracing_tag upstream_queue_time $upstream_queue_time;
opentracing_tag upstream_response_time $upstream_response_time;

#uncomment for debugging
# log_format opentracing '$remote_addr - $remote_user [$time_local] "$request" '
#                        '$status $body_bytes_sent "$http_referer" '
#                        '"$http_user_agent" "$http_x_forwarded_for" '
#                        '"$host" sn="$server_name" '
#                        'rt=$request_time '
#                        'ua="$upstream_addr" us="$upstream_status" '
#                        'ut="$upstream_response_time" ul="$upstream_response_length" '
#                        'cs=$upstream_cache_status';
#access_log /var/log/nginx/opentracing.log opentracing;
 
server {
    listen 9001;

    location / {
        # The operation name used for OpenTracing Spans defaults to the name of the
        # 'location' block, but uncomment this directive to customize it.
        #opentracing_operation_name $uri;

        # Propagate the active Span context upstream, so that the trace can be 
        # continued by the backend.
        opentracing_propagate_context;

        # Make sure that your Ruby app is listening on port 4567
        proxy_pass http://127.0.0.1:4567;
    }
}

  4. 验证并重新加载 NGINX Plus 配置：

    $ nginx -t
$ nginx -s reload

 

设置 Ruby 示例应用

完成追踪器和 NGINX Plus 配置后，我们就创建了一个 Ruby 示例应用，可用来做 OpenTracing 数据展示。该应用可以让我们测量 NGINX Plus 缓存在多大程度上改善了响应时间。当应用收到请求时，比如下面对根路径/的 HTTP GET 请求，它会随机等待一段时间（2 到 5 秒之间），然后做出响应。

$ curl http://NGINX-Plus-IP-address:9001/

  1. 安装和设置 Ruby 和 Sinatra（一种开源软件 web 应用框架和用 Ruby 编写的特定领域语言，可以替代其他 Ruby web 应用框架）。

  2. 创建一个名为 app.rb 的文件，内容如下：

    #!/usr/bin/ruby

require 'sinatra'

get '/*' do
    out = "<h1>Ruby simple app</h1>" + "\n"

    #Sleep a random time between 2s and 5s
    sleeping_time = rand(4)+2
    sleep(sleeping_time)
    puts "slept for: #{sleeping_time}s."
    out += '<p>some output text</p>' + "\n"

    return out
end

  3. 对 app.rb 文件添加可执行权限并运行：

    $ chmod +x app.rb
$ ./app.rb

 

无缓存追踪响应时间

本部分使用 Jaeger 和 Zipkin 来显示未启用缓存时，NGINX Plus 响应请求所需的时间。对于每个追踪器，我们发送五个请求。

Jaeger 无缓存输出

以下是 Jaeger UI 中显示的五个请求（最近的排第一）：

以下是 Ruby 应用控制台上的相同信息：

- -> /
slept for: 3s. 
127.0.0.1 - - [07/Jun/2019: 10:50:46 +0000] "GET / HTTP/1.1" 200 49 3.0028
127.0.0.1 - - [07/Jun/2019: 10:50:43 UTC] "GET / HTTP/1.0" 200 49
- -> /
slept for: 2s. 
127.0.0.1 - - [07/Jun/2019: 10:50:56 +0000] "GET / HTTP/1.1" 200 49 2.0018 
127.0.0.1 - - [07/Jun/2019: 10:50:54 UTC] "GET / HTTP/1.0"1 200 49
- -> /
slept for: 3s. 
127.0.0.1 - - [07/Jun/2019: 10:53:16 +0000] "GET / HTTP/1.1" 200 49 3.0029 
127.0.0.1 - - [07/Jun/2019: 10:53:13 UTC] "GET / HTTP/1.0" 200 49
- -> /
slept for: 4s.
127.0.0.1 - - [07/Jun/2019: 10:54:03 +0000] "GET / HTTP/1.1" 200 49 4.0030 
127.0.0.1 - - [07/Jun/2019: 10:53:59 UTC] "GET / HTTP/1.0" 200 49
- -> /
slept for: 3s.
127.0.0.1 - - [07/Jun/2019: 10:54:11 +0000] "GET / HTTP/1.1" 200 49 3.0012
127.0.0.1 - - [07/Jun/2019: 10:54:08 UTC] "GET / HTTP/1.0" 200 49

在 Jaeger UI 中，我们点击第一个（最近的）请求来查看其详细信息，包括我们作为标签添加的 NGINX Plus 变量的值：

Zipkin 无缓存输出

以下是 Zipkin UI 中的五个请求：

Ruby 应用控制台中的相同信息：

- -> /
slept for: 2s.
127.0.0.1 - - [07/Jun/2019: 10:31:18 +0000] "GET / HTTP/1.1" 200 49 2.0021 
127.0.0.1 - - [07/Jun/2019: 10:31:16 UTC] "GET / HTTP/1.0" 200 49
- -> /
slept for: 3s.
127.0.0.1 - - [07/Jun/2019: 10:31:50 +0000] "GET / HTTP/1.1" 200 49 3.0029 
127.0.0.1 - - [07/Jun/2019: 10:31:47 UTC] "GET / HTTP/1.0" 200 49
- -> /
slept for: 3s.
127.0.0.1 - - [07/Jun/2019: 10:32:08 +0000] "GET / HTTP/1.1" 200 49 3.0026 
127.0.0.1 - - [07/Jun/2019: 10:32:05 UTC] "GET / HTTP/1.0" 200 49
- -> /
slept for: 3s.
127.0.0.1 - - [07/Jun/2019: 10:32:32 +0000] "GET / HTTP/1.1" 200 49 3.0015 
127.0.0.1 - - [07/Jun/2019: 10:32:29 UTC] "GET / HTTP/1.0" 200 49
- -> /
slept for: 5s.
127.0.0.1 - - [07/Jun/2019: 10:32:52 +0000] "GET / HTTP/1.1" 200 49 5.0030 
127.0.0.1 - - [07/Jun/2019: 10:32:47 UTC] "GET / HTTP/1.0" 200 49

在 Zipkin UI 中，我们点击第一个请求来查看其详细信息，包括我们作为标签添加的 NGINX Plus 变量的值：

 

使用缓存追踪响应时间

配置 NGINX Plus 缓存

本部分通过在“配置 NGINX Plus” 部分创建的 opentracing.conf 文件中添加指令来启用缓存。

  1. 在 http 上下文中，添加此 proxy_cache_path 指令：

    proxy_cache_path /data/nginx/cache keys_zone=one:10m;

  2. 在服务器块中，添加以下 proxy_cache 和 proxy_cache_valid 指令：

    proxy_cache one;
proxy_cache_valid any 1m;

  3. 验证并重新加载配置：

    $ nginx -t
$ nginx -s reload

带缓存的 Jaeger 输出

这是两个请求后的 Jaeger UI。

第一次响应（标记为 13f69db）耗时 4 秒。NGINX Plus 缓存了响应，当请求在大约 15 秒后重复时，响应花费了不到 2 毫秒 (ms) ，因为它来自 NGINX Plus 缓存。

详细查看这两个请求可以解释响应时间的差异。对于第一个请求，upstream_cache_status 是 MISS，意味着请求的数据不在缓存中。Ruby 应用增加了 4 秒的延迟。

对于第二个请求，upstream_cache_status 是 HIT。因为数据来自于缓存，Ruby 应用无法添加延迟，响应时间低于 2 毫秒。空的 upstream_* 值也表示上游服务器没有参与此响应。

带缓存的 Zipkin 输出

启用缓存的两个请求在 Zipkin UI 中呈现出类似的结果：

详细查看这两个请求可以解释响应时间的差异。第一个请求没有缓存响应（upstream_cache_status 为 MISS），Ruby 应用（巧合）添加了与 Jaeger 示例相同的 4 秒延迟。

在我们发出第二个请求之前，响应已经被缓存，因此 upstream_cache_status 是 HIT。

 

结语

NGINX OpenTracing 模块支持对 NGINX Plus 请求和响应的追踪，并使用 OpenTracing 标记提供对 NGINX Plus 变量的访问。此模块还可以使用不同的追踪器。

关于 NGINX OpenTracing 模块的更多详细信息，请访问 GitHub 上的 NGINX OpenTracing 模块存储库。

如欲试用 OpenTracing with NGINX Plus，请立即下载 30 天免费试用版，或与我们联系以讨论您的用例。

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Mohamed Gougam

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