Nginx 04
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Nginx负载均衡
负载均衡概述
早期的网站流量和业务功能都比较简单,单台服务器足以满足基本的需求,但是随着互联网的发展,业务流量越来越大并且业务逻辑也跟着越来越复杂,单台服务器的性能及单点故障问题就凸显出来了,因此需要多台服务器进行性能的水平扩展及避免单点故障出现。那么如何将不同用户的请求流量分发到不同的服务器上呢?
负载均衡的原理及处理流程
系统的扩展可以分为纵向扩展和横向扩展。
纵向扩展是从单机的角度出发,通过增加系统的硬件处理能力来提升服务器的处理能力
横向扩展是通过添加机器来满足大型网站服务的处理能力。
这里面涉及到两个重要的角色分别是"应用集群"和"负载均衡器"。
应用集群:将同一应用部署到多台机器上,组成处理集群,接收负载均衡设备分发的请求,进行处理并返回响应的数据。
负载均衡器:将用户访问的请求根据对应的负载均衡算法,分发到集群中的一台服务器进行处理。
负载均衡的作用
1、解决服务器的高并发压力,提高应用程序的处理性能。
2、提供故障转移,实现高可用。
3、通过添加或减少服务器数量,增强网站的可扩展性。
4、在负载均衡器上进行过滤,可以提高系统的安全性。
负载均衡常用的处理方式
方式一:用户手动选择
这种方式比较原始,只要实现的方式就是在网站主页上面提供不同线路、不同服务器链接方式,让用户来选择自己访问的具体服务器,来实现负载均衡。
方式二:DNS轮询方式
DNS
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大多域名注册商都支持对同一个主机名添加多条A记录,这就是DNS轮询,DNS服务器将解析请求按照A记录的顺序,随机分配到不同的IP上,这样就能完成简单的负载均衡。DNS轮询的成本非常低,在一些不重要的服务器,被经常使用。
如下是我们为某一个域名添加的IP地址,用2台服务器来做负载均衡。
验证:
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清空本地的dns缓存
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我们发现使用DNS来实现轮询,不需要投入过多的成本,虽然DNS轮询成本低廉,但是DNS负载均衡存在明显的缺点。
1.可靠性低
假设一个域名DNS轮询多台服务器,如果其中的一台服务器发生故障,那么所有的访问该服务器的请求将不会有所回应,即使你将该服务器的IP从DNS中去掉,但是由于各大宽带接入商将众多的DNS存放在缓存中,以节省访问时间,导致DNS不会实时更新。所以DNS轮流上一定程度上解决了负载均衡问题,但是却存在可靠性不高的缺点。
2.负载均衡不均衡
DNS负载均衡采用的是简单的轮询负载算法,不能区分服务器的差异,不能反映服务器的当前运行状态,不能做到为性能好的服务器多分配请求,另外本地计算机也会缓存已经解析的域名到IP地址的映射,这也会导致使用该DNS服务器的用户在一定时间内访问的是同一台Web服务器,从而引发Web服务器减的负载不均衡。
负载不均衡则会导致某几台服务器负荷很低,而另外几台服务器负荷确很高,处理请求的速度慢,配置高的服务器分配到的请求少,而配置低的服务器分配到的请求多。
方式三:四/七层负载均衡
介绍四/七层负载均衡之前,我们先了解一个概念,OSI(open system interconnection),叫开放式系统互联模型,这个是由国际标准化组织ISO指定的一个不基于具体机型、操作系统或公司的网络体系结构。该模型将网络通信的工作分为七层。
应用层:为应用程序提供网络服务。
表示层:对数据进行格式化、编码、加密、压缩等操作。
会话层:建立、维护、管理会话连接。
传输层:建立、维护、管理端到端的连接,常见的有TCP/UDP。
网络层:IP寻址和路由选择
数据链路层:控制网络层与物理层之间的通信。
物理层:比特流传输。
所谓四层负载均衡指的是OSI七层模型中的传输层,主要是基于IP+PORT的负载均衡
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所谓的七层负载均衡指的是在应用层,主要是基于虚拟的URL或主机IP的负载均衡
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四层和七层负载均衡的区别
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处理四层和七层负载以为其实还有二层、三层负载均衡,二层是在数据链路层基于mac地址来实现负载均衡,三层是在网络层一般采用虚拟IP地址的方式实现负载均衡。
实际环境采用的模式
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Nginx七层负载均衡
Nginx要实现七层负载均衡需要用到proxy_pass代理模块配置。Nginx默认安装支持这个模块,我们不需要再做任何处理。Nginx的负载均衡是在Nginx的反向代理基础上把用户的请求根据指定的算法分发到一组【upstream虚拟服务池】。
Nginx七层负载均衡的指令
Upstream指令
该指令是用来定义一组服务器,它们可以是监听不同端口的服务器,并且也可以是同时监听TCP和Unix socket的服务器。服务器可以指定不同的权重,默认为1。
语法 | upstream name {…} |
---|---|
默认值 | — |
位置 | http |
Server指令
该指令用来指定后端服务器的名称和一些参数,可以使用域名、IP、端口或者unix socket
语法 | server name [paramerters] |
---|---|
默认值 | — |
位置 | upstream |
Nginx七层负载均衡的实现流程
服务端设置
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负载均衡器设置
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负载均衡状态
代理服务器在负责均衡调度中的状态有以下几个:
状态 | 概述 |
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down | 当前的server暂时不参与负载均衡 |
backup | 预留的备份服务器 |
max_fails | 允许请求失败的次数 |
fail_timeout | 经过max_fails失败后, 服务暂停时间 |
max_conns | 限制最大的接收连接数 |
Down
down:将该服务器标记为永久不可用,那么该代理服务器将不参与负载均衡。
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该状态一般会对需要停机维护的服务器进行设置。
Backup
backup:将该服务器标记为备份服务器,当主服务器不可用时,将用来传递请求。
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此时需要将9094端口的访问禁止掉来模拟下唯一能对外提供访问的服务宕机以后,backup的备份服务器就要开始对外提供服务,此时为了测试验证,我们需要使用防火墙来进行拦截。
介绍一个工具firewall-cmd
,该工具是Linux提供的专门用来操作firewall的。
查询防火墙中指定的端口是否开放
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如何开放一个指定的端口
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批量添加开发端口
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如何移除一个指定的端口
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重新加载
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其中
–permanent表示设置为持久
–add-port表示添加指定端口
–remove-port表示移除指定端口
Max_conns
max_conns=number:用来设置代理服务器同时活动链接的最大数量,默认为0,表示不限制,使用该配置可以根据后端服务器处理请求的并发量来进行设置,防止后端服务器被压垮。
Max_fails和fail_timeout
max_fails=number:设置允许请求代理服务器失败的次数,默认为1。
fail_timeout=time:设置经过max_fails失败后,服务暂停的时间,默认是10秒。
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负载均衡策略
介绍完Nginx负载均衡的相关指令后,我们已经能实现将用户的请求分发到不同的服务器上,那么除了采用默认的分配方式以外,我们还能采用什么样的负载算法?
Nginx的upstream支持如下六种方式的分配算法,分别是:
算法名称 | 说明 |
---|---|
轮询 | 默认方式 |
weight | 权重方式 |
ip_hash | 依据ip分配方式 |
least_conn | 依据最少连接方式 |
url_hash | 依据URL分配方式 |
fair | 依据响应时间方式 |
轮询
是upstream模块负载均衡默认的策略。每个请求会按时间顺序逐个分配到不同的后端服务器。轮询不需要额外的配置。
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Weight加权[加权轮询]
weight=number:用来设置服务器的权重,默认为1,权重数据越大,被分配到请求的几率越大;该权重值,主要是针对实际工作环境中不同的后端服务器硬件配置进行调整的,所有此策略比较适合服务器的硬件配置差别比较大的情况。
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Ip_hash
当对后端的多台动态应用服务器做负载均衡时,ip_hash指令能够将某个客户端IP的请求通过哈希算法定位到同一台后端服务器上。这样,当来自某一个IP的用户在后端Web服务器A上登录后,在访问该站点的其他URL,能保证其访问的还是后端web服务器A。
语法 | ip_hash; |
---|---|
默认值 | — |
位置 | upstream |
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需要额外多说一点的是使用ip_hash指令无法保证后端服务器的负载均衡,可能导致有些后端服务器接收到的请求多,有些后端服务器接收的请求少,而且设置后端服务器权重等方法将不起作用。
Least_conn
最少连接,把请求转发给连接数较少的后端服务器。轮询算法是把请求平均的转发给各个后端,使它们的负载大致相同;但是,有些请求占用的时间很长,会导致其所在的后端负载较高。这种情况下,least_conn这种方式就可以达到更好的负载均衡效果。
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此负载均衡策略适合请求处理时间长短不一造成服务器过载的情况。
Url_hash
按访问url的hash结果来分配请求,使每个url定向到同一个后端服务器,要配合缓存命中来使用。同一个资源多次请求,可能会到达不同的服务器上,导致不必要的多次下载,缓存命中率不高,以及一些资源时间的浪费。而使用url_hash,可以使得同一个url(也就是同一个资源请求)会到达同一台服务器,一旦缓存住了资源,再此收到请求,就可以从缓存中读取。
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访问如下地址:
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Fair
fair采用的不是内建负载均衡使用的轮换的均衡算法,而是可以根据页面大小、加载时间长短智能的进行负载均衡。那么如何使用第三方模块的fair负载均衡策略。
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但是如何直接使用会报错,因为fair属于第三方模块实现的负载均衡。需要添加nginx-upstream-fair
,如何添加对应的模块:
- 下载nginx-upstream-fair模块
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- 将下载的文件上传到服务器并进行解压缩
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- 重命名资源
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- 使用./configure命令将资源添加到Nginx模块中
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- 编译
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编译可能会出现如下错误,ngx_http_upstream_srv_conf_t结构中缺少default_port
解决方案:
在Nginx的源码中 src/http/ngx_http_upstream.h,找到ngx_http_upstream_srv_conf_s
,在模块中添加添加default_port属性
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然后再进行make.
- 更新Nginx
6.1 将sbin目录下的nginx进行备份
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6.2 将安装目录下的objs中的nginx拷贝到sbin目录
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6.3 更新Nginx
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- 编译测试使用Nginx
上面介绍了Nginx常用的负载均衡的策略,有人说是5种,是把轮询和加权轮询归为一种,也有人说是6种。那么在咱们以后的开发中到底使用哪种,这个需要根据实际项目的应用场景来决定的。
负载均衡案例
案例一:对所有请求实现一般轮询规则的负载均衡
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案例二:对所有请求实现加权轮询规则的负载均衡
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案例三:对特定资源实现负载均衡
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案例四:对不同域名实现负载均衡
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案例五:实现带有URL重写的负载均衡
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Nginx四层负载均衡
Nginx在1.9之后,增加了一个stream模块,用来实现四层协议的转发、代理、负载均衡等。stream模块的用法跟http的用法类似,允许我们配置一组TCP或者UDP等协议的监听,然后通过proxy_pass来转发我们的请求,通过upstream添加多个后端服务,实现负载均衡。
四层协议负载均衡的实现,一般都会用到LVS、HAProxy、F5等,要么很贵要么配置很麻烦,而Nginx的配置相对来说更简单,更能快速完成工作。
添加stream模块的支持
Nginx默认是没有编译这个模块的,需要使用到stream模块,那么需要在编译的时候加上--with-stream
。
完成添加--with-stream
的实现步骤:
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Nginx四层负载均衡的指令
Stream指令
该指令提供在其中指定流服务器指令的配置文件上下文。和http指令同级。
语法 | stream { … } |
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默认值 | — |
位置 | main |
Upstream指令
该指令和http的upstream指令是类似的。
四层负载均衡的案例
需求分析
实现步骤
(1)准备Redis服务器,在一条服务器上准备三个Redis,端口分别是6379,6378
1.上传redis的安装包,redis-4.0.14.tar.gz
2.将安装包进行解压缩
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3.进入redis的安装包
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4.使用make和install进行编译和安装
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5.拷贝redis配置文件redis.conf
到/usr/local/redis/redis01/bin目录中
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6.修改redis.conf配置文件
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7.将redis01复制一份为redis02
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8.将redis02文件文件夹中的redis.conf进行修改
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9.分别启动,即可获取两个Redis.并查看
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使用Nginx将请求分发到不同的Redis服务器上。
(2)准备Tomcat服务器.
1.上传tomcat的安装包,apache-tomcat-8.5.56.tar.gz
2.将安装包进行解压缩
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3.进入tomcat的bin目录
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nginx.conf配置
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访问测试。
Nginx缓存集成
缓存的概念
缓存就是数据交换的缓冲区(称作:Cache),当用户要获取数据的时候,会先从缓存中去查询获取数据,如果缓存中有就会直接返回给用户,如果缓存中没有,则会发请求从服务器重新查询数据,将数据返回给用户的同时将数据放入缓存,下次用户就会直接从缓存中获取数据。
缓存其实在很多场景中都有用到,比如:
场景 | 作用 |
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操作系统磁盘缓存 | 减少磁盘机械操作 |
数据库缓存 | 减少文件系统的IO操作 |
应用程序缓存 | 减少对数据库的查询 |
Web服务器缓存 | 减少对应用服务器请求次数 |
浏览器缓存 | 减少与后台的交互次数 |
缓存的优点
1.减少数据传输,节省网络流量,加快响应速度,提升用户体验;
2.减轻服务器压力;
3.提供服务端的高可用性;
缓存的缺点
1.数据的不一致
2.增加成本
本次课程注解讲解的是Nginx,Nginx作为web服务器,Nginx作为Web缓存服务器,它介于客户端和应用服务器之间,当用户通过浏览器访问一个URL时,web缓存服务器会去应用服务器获取要展示给用户的内容,将内容缓存到自己的服务器上,当下一次请求到来时,如果访问的是同一个URL,web缓存服务器就会直接将之前缓存的内容返回给客户端,而不是向应用服务器再次发送请求。web缓存降低了应用服务器、数据库的负载,减少了网络延迟,提高了用户访问的响应速度,增强了用户的体验。
Nginx的web缓存服务
Nginx是从0.7.48版开始提供缓存功能。Nginx是基于Proxy Store来实现的,其原理是把URL及相关组合当做Key,在使用MD5算法对Key进行哈希,得到硬盘上对应的哈希目录路径,从而将缓存内容保存在该目录中。它可以支持任意URL连接,同时也支持404/301/302这样的非200状态码。Nginx即可以支持对指定URL或者状态码设置过期时间,也可以使用purge命令来手动清除指定URL的缓存。
Nginx缓存设置的相关指令
Nginx的web缓存服务主要是使用ngx_http_proxy_module
模块相关指令集来完成,接下来我们把常用的指令来进行介绍下。
Proxy_cache_path
该指定用于设置缓存文件的存放路径
语法 | proxy_cache_path path [levels=number] keys_zone=zone_name:zone_size [inactive=time][max_size=size]; |
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默认值 | — |
位置 | http |
path:缓存路径地址,如:
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levels: 指定该缓存空间对应的目录,最多可以设置3层,每层取值为1|2如 :
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keys_zone:用来为这个缓存区设置名称和指定大小,如:
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inactive:指定缓存的数据多次时间未被访问就将被删除,如:
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max_size:设置最大缓存空间,如果缓存空间存满,默认会覆盖缓存时间最长的资源,如:
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配置实例:
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Proxy_cache
该指令用来开启或关闭代理缓存,如果是开启则自定使用哪个缓存区来进行缓存。
语法 | proxy_cache zone_name|off; |
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默认值 | proxy_cache off; |
位置 | http、server、location |
zone_name:指定使用缓存区的名称
Proxy_cache_key
该指令用来设置web缓存的key值,Nginx会根据key值MD5哈希存缓存。
语法 | proxy_cache_key key; |
---|---|
默认值 | proxy_cache_key $scheme$proxy_host$request_uri; |
位置 | http、server、location |
Proxy_cache_valid
该指令用来对不同返回状态码的URL设置不同的缓存时间
语法 | proxy_cache_valid [code …] time; |
---|---|
默认值 | — |
位置 | http、server、location |
如:
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Proxy_cache_min_uses
该指令用来设置资源被访问多少次后被缓存
语法 | proxy_cache_min_uses number; |
---|---|
默认值 | proxy_cache_min_uses 1; |
位置 | http、server、location |
Proxy_cache_methods
该指令用户设置缓存哪些HTTP方法
语法 | proxy_cache_methods GET|HEAD|POST; |
---|---|
默认值 | proxy_cache_methods GET HEAD; |
位置 | http、server、location |
默认缓存HTTP的GET和HEAD方法,不缓存POST方法。
Nginx缓存设置案例
需求分析
步骤实现
1.环境准备
应用服务器的环境准备
(1)在192.168.200.146服务器上的tomcat的webapps下面添加一个js目录,并在js目录中添加一个jquery.js文件
(2)启动tomcat
(3)访问测试
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Nginx的环境准备
(1)完成Nginx反向代理配置
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(2)完成Nginx缓存配置
4.添加缓存配置
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Nginx缓存的清除
方式一:删除对应的缓存目录
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方式二:使用第三方扩展模块
Ngx_cache_purge
(1)下载ngx_cache_purge模块对应的资源包,并上传到服务器上。
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(2)对资源文件进行解压缩
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(3)修改文件夹名称,方便后期配置
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(4)查询Nginx的配置参数
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(5)进入Nginx的安装目录,使用./configure进行参数配置
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(6)使用make进行编译
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(7)将nginx安装目录的nginx二级制可执行文件备份
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(8)将编译后的objs中的nginx拷贝到nginx的sbin目录下
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(9)使用make进行升级
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(10)在nginx配置文件中进行如下配置
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Nginx设置资源不缓存
前面咱们已经完成了Nginx作为web缓存服务器的使用。但是我们得思考一个问题就是不是所有的数据都适合进行缓存。比如说对于一些经常发生变化的数据。如果进行缓存的话,就很容易出现用户访问到的数据不是服务器真实的数据。所以对于这些资源我们在缓存的过程中就需要进行过滤,不进行缓存。
Nginx也提供了这块的功能设置,需要使用到如下两个指令
proxy_no_cache
该指令是用来定义不将数据进行缓存的条件。
语法 | proxy_no_cache string …; |
---|---|
默认值 | — |
位置 | http、server、location |
配置实例
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proxy_cache_bypass
该指令是用来设置不从缓存中获取数据的条件。
语法 | proxy_cache_bypass string …; |
---|---|
默认值 | — |
位置 | http、server、location |
配置实例
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上述两个指令都有一个指定的条件,这个条件可以是多个,并且多个条件中至少有一个不为空且不等于"0",则条件满足成立。上面给的配置实例是从官方网站获取的,里面使用到了三个变量,分别是$cookie_nocache、$arg_nocache、$arg_comment
$cookie_nocache、$arg_nocache、$arg_comment
这三个参数分别代表的含义是:
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案例演示下:
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案例实现
设置不缓存资源的配置方案
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