N74第八周作业

一、总结 哨兵机制 实现原理，并搭建主从哨兵集群。

Redis Sentinel（哨兵）机制是一种在Redis集群中提供自动故障检测和主从切换服务的系统。以下是Redis Sentinel实现原理的总结：

1. 架构：

• 哨兵是一个分布式系统，由多个Sentinel实例组成。
• 每个Sentinel实例独立运行，监视特定的Redis主服务器及其从服务器。

2. 监控：

• Sentinel通过发送PING命令定期检查Redis节点（包括主节点和从节点）的可用性。
• 当主节点无法响应时，Sentinel会根据配置的down-after-milliseconds参数判断主节点是否下线。

3. 主观下线与客观下线：

• 单个Sentinel认定主节点不可达为“主观下线”，它会向其他Sentinel询问对主节点的看法，以达成共识。
• 若足够数量的Sentinel（通常是多数派）都报告主节点不可达，则该主节点被标记为“客观下线”。

4. 自动故障恢复：

• 当主节点被客观下线后，Sentinel系统会根据预定义的选举规则选择一个从节点晋升为主节点（领导者选举）。
• 同时，Sentinel还会负责更新其他从节点的复制关系，使它们指向新的主节点，并确保数据的一致性。

5. 配置更新与通知：

• Sentinel不仅执行故障转移，还会更新Redis配置文件中的信息，指向新的主节点地址。
• 客户端可以通过订阅Sentinel的发布频道来获取关于主节点状态变化的通知，从而实现自动发现新主节点并重新连接。

6. 健壮性：

• 由于Sentinel是集群部署，即使个别Sentinel发生故障，整个系统依然能够正确运作并完成故障转移。

通过这些机制，Redis Sentinel提供了高可用性的Redis解决方案，无需人工干预就能处理主节点故障，并快速恢复服务。

Redis哨兵机制是Redis提供的一种高可用性解决方案，它可以监控和管理Redis集群中的主节点和从节点，并在主节点发生故障时自动进行故障转移。

哨兵机制的实现原理如下：

1. 哨兵节点：在Redis集群中，有一个或多个独立的哨兵节点。每个哨兵节点周期性地向Redis节点发送PING命令来检测其状态，并通过发送命令来获取节点的信息。
2. 监控主节点：哨兵节点会监控所有的主节点，通过发送命令检查主节点是否正常工作。如果主节点无法响应，则哨兵节点会将其标记为下线状态。
3. 故障转移：当主节点被标记为下线状态时，哨兵节点会与其他哨兵节点进行协调，选举出一个新的主节点。这个过程中，哨兵节点会根据一定的算法选择新的主节点，并通知其他从节点切换到新的主节点。
4. 客户端重定向：哨兵节点会向客户端发送一个MOVED或ASK重定向命令，让客户端将请求发送到新的主节点上。
5. 客户端连接监控：哨兵节点还负责监控客户端与主节点的连接情况。如果客户端与主节点的连接断开，哨兵节点会将客户端重定向到新的主节点。

总结起来，Redis哨兵机制通过哨兵节点不断监控主节点的状态，当主节点发生故障时，哨兵节点会协调选举新的主节点，并通知其他从节点和客户端进行相应的切换操作，以确保Redis集群的高可用性。

二、总结redis cluster工作原理，并搭建集群实现扩缩容。

Redis Cluster是Redis提供的原生分布式解决方案，它通过数据分片（sharding）和节点间通信机制实现了高可用性和可扩展性。以下是Redis Cluster工作原理的总结：

1. 虚拟槽分区（Slot Hashing）： Redis Cluster采用了一种称为“虚拟槽分区”的方案来分配数据。整个键空间被划分为16384个槽（slot），每个键根据其CRC16校验后对16384取模确定所属槽编号。每个Redis节点负责一部分槽。
2. 节点角色与数据分布： 所有Redis Cluster节点既是主节点也是从节点，每个主节点拥有一定数量的槽，并且可以有一个或多个从节点复制其数据以实现数据冗余和故障恢复。客户端可以直接连接任意节点进行读写操作，节点会根据键所在的槽信息将请求路由到正确的节点上。
3. 节点间通信： 节点之间通过Gossip协议（集群总线）进行通信，共享集群状态信息，包括配置、主从关系变化以及槽的所有权转移等。这种轻量级的消息传播机制确保了集群的动态更新和高可用性。
4. 客户端路由： 客户端在执行命令时，若发现键不属于当前连接节点所负责的槽，则需要重定向到正确节点。Redis Cluster提供了MOVED和ASK响应，指导客户端直接向合适的节点发送请求。
5. 故障检测与自动故障转移： 当一个主节点不可达时，集群中的其他节点能够检测到这一情况并通过选举过程选择一个新的主节点。这个过程不需要中心协调器，而是通过节点之间的协商完成。新的主节点由从节点提升而来，同时其它从节点也会调整自己的复制源。
6. 在线重新分片（resharding）： 随着集群规模的扩大或者收缩，可以通过在线迁移槽的方式，在不中断服务的前提下调整数据分布。管理员可以通过相关命令触发槽的迁移。
7. 一致性保证： Redis Cluster在设计上没有提供跨多个键的一致性事务，但通过Redis的单实例原子操作以及主从同步，保证了单个键值操作的原子性和最终一致性。

综上所述，Redis Cluster利用虚拟槽分区、Gossip协议和自动故障转移等功能，构建了一个弹性伸缩、高可用的分布式缓存和存储系统。

三、总结LVS的NAT和DR模型工作原理，并完成DR模型实战。

LVS（Linux Virtual Server）的NAT模型，即网络地址转换模式，是实现负载均衡的一种方式。在该模式下，负载均衡器作为Director节点，主要工作原理如下：

1. 客户端请求处理：

• 当客户端发起一个请求到负载均衡器（Director）的公网IP（DIP，Director IP）时，Director节点会执行DNAT（Destination Network Address Translation），即将目标IP地址修改为后端实际服务器（RealServer或RS）的私有IP地址，并且可能同时修改目标端口。

2. 请求转发：

• 修改后的请求被转发至选定的RS，由于RS使用的是私网地址，所以请求只能通过Director来中转。

3. 响应处理：

• RS收到请求并处理后，将响应发送回给Director。
• Director这时执行SNAT（Source Network Address Translation），将响应报文中的源IP地址替换为自身的公网IP地址，这样客户端才能正确接收响应。

4. 高负载与瓶颈：

• 在NAT模式下，所有的请求和响应都需要经过Director，这可能会导致在高负载情况下Director成为性能瓶颈。
• 另外，由于RS必须配置为私有地址并与Director在同一网段内，扩展性和灵活性相对较低。

5. 适用场景：

• NAT模式适合于对公网IP资源有限、不希望更改现有服务结构的场景，或者当RS没有足够的公网IP可用时。

总结来说，LVS-NAT模式利用网络地址转换技术，在Director层面进行请求的分发与响应的聚合，以达到隐藏内部服务器真实IP地址并实现负载均衡的目的。然而，由于所有流量都经由Director，其在网络带宽和处理能力上限制了可扩展性，因此在大规模、高并发应用场景中通常会选择其他模式如DR（直接路由）等。

LVS（Linux Virtual Server）的DR（Direct Routing，直接路由）模型工作原理如下：

1. 客户端请求阶段：

• 客户端向负载均衡器（Director）上配置的虚拟IP地址（VIP，Virtual IP）发起请求。
• 请求的数据包原始MAC地址指向的是VIP所在的网络接口。

2. Director处理阶段：

• Director节点收到请求后，不修改数据包的源IP和目标IP，仅改变数据帧的MAC地址层信息。
• 根据预先设定的负载均衡算法，Director选择一个活动的真实服务器（RealServer或RS），并获取该RS所在网卡的MAC地址。
• Director将请求数据包的目标MAC地址更改为选定RS的MAC地址，并通过二层交换机转发至该RS。

3. 真实服务器响应：

• RS收到带有VIP作为目标IP地址的数据包后，由于在同一网络段内且其配置允许接收这个VIP流量，因此它会正常处理这个请求。
• 当RS生成响应时，直接使用客户端的IP地址作为目标地址，源IP地址则设置为VIP。

4. 返回客户端：

• 如果客户端与Director、RS在同一广播域中，则客户端可以直接收到RS发送的响应，因为响应报文中的源IP仍然是VIP，客户端能够识别并接受此响应。
• 若客户端不在同一广播域，通常需要借助于网络设备如路由器的ARP代理功能或其他机制来确保响应能够正确返回给客户端。

总结来说，LVS-DR模式利用了网络层的透明传输特性，在保持IP层不变的情况下，通过调整链路层的MAC地址来实现对真实服务器的透明分发。这种方式可以避免NAT带来的SNAT/DNAT转换开销，从而提高性能，尤其适用于大型、高负载的集群环境。但是，这种模式要求Director和RealServers必须在同一个物理网络中，并且支持MAC地址层面的透明转发。

四、总结http协议的通信过程详解

HTTP协议（HyperText Transfer Protocol）的通信过程可以概括为以下几个步骤：

1. 建立连接：

• HTTP协议通常基于TCP/IP协议进行通信，客户端（如Web浏览器）与服务器之间首先需要建立一个TCP连接。在HTTP/1.0及以前版本中，默认是每次请求-响应完成后关闭连接；而在HTTP/1.1中默认保持长连接（Keep-Alive），即一次连接可以处理多个请求。

2. 发送请求：

• 客户端发起HTTP请求，请求包括以下三部分：

• 请求行：包含方法（GET、POST、PUT、DELETE等）、URL（统一资源定位符）和协议版本。
• 请求头（Header）：提供有关客户端环境和请求附加信息的元数据，例如用户代理、接受类型、缓存控制、内容长度等。
• 请求正文（Body）：并非所有请求都有正文，如GET请求通常不带正文，而POST、PUT等方法可能带有提交的数据或文件内容。

3. 服务器响应：

• 服务器接收到请求后解析并处理请求，然后返回HTTP响应给客户端，响应也由三部分组成：

• 状态行：包含协议版本、状态码（如200表示成功、404表示未找到等）以及状态消息。
• 响应头：类似请求头，提供了服务器的相关信息、内容类型、编码方式、缓存指示、链接关系等。
• 响应正文：包含了所请求的实际内容，可能是HTML文档、JSON对象、图片或其他任何类型的数据。

4. 关闭连接或保持连接：

• 根据HTTP协议版本和请求/响应头中的Connection字段决定是否关闭连接。若为短连接，则完成一次请求后关闭；若为长连接，则在一定时间内可继续处理其他请求，直至超时或显式关闭。

5. 代理中间件处理：

• 在实际网络通信过程中，请求和响应可能会通过一系列的代理服务器传递，每个代理服务器都可能对请求进行转发、记录日志、缓存响应内容等操作。

6. 无状态性：

• HTTP协议本身是无状态的，这意味着它不会保存客户端和服务器之间的会话状态。如果需要维护状态，开发者可以通过Cookie、Session等机制来实现。

整个HTTP通信流程体现了其简单、灵活和易于扩展的特点，使得Web服务能够高效地在全球范围内交换信息。

五、总结网络IO模型和nginx架构

网络I/O模型是用来描述操作系统内核如何处理网络请求以及用户进程如何与内核交互以完成网络数据读写的不同策略。在Linux和其他类Unix系统中，有五种常见的网络I/O模型：

1. 阻塞I/O（Blocking I/O）

• 在这种模型下，当进程发起一个网络I/O操作（如read或write）时，如果数据没有准备好，进程会进入阻塞状态，直到数据到达并被复制到用户缓冲区或者发送完毕后才返回。

2. 非阻塞I/O（Non-blocking I/O）

• 进程设置套接字为非阻塞模式后，调用I/O函数将立即返回，无论数据是否准备好。如果数据未准备好，会返回错误信息（例如EAGAIN或EWOULDBLOCK）。进程需要不断轮询检查数据是否可读/写。

3. IO多路复用（I/O Multiplexing）

• 包括select、poll和epoll等技术，允许进程同时监听多个套接字的事件。当任何一个套接字上有读写事件发生时，进程才会从select等函数返回，并可以得知哪个套接字准备好了进行I/O操作。

4. 信号驱动式I/O（Signal-driven I/O）

• 进程通过SIGIO信号告知内核它对某个套接字感兴趣。当该套接字上有数据可读或可写时，内核发送一个信号给进程，然后进程在信号处理器中执行相应的I/O操作。

5. 异步I/O（Asynchronous I/O，又称AIO）

• 在异步I/O模型中，进程发起一个I/O请求后立刻返回，不需等待数据传输结束。内核会在数据操作完成后，通过回调函数或事件通知机制通知进程。在此期间，进程可以继续执行其他任务。

每种模型都有其适用场景和优缺点，选择哪种模型取决于应用程序的需求，如响应时间、并发连接数、资源利用效率等因素。在高性能服务器编程中，通常会倾向于使用非阻塞I/O结合IO多路复用或直接采用异步I/O来实现高并发处理。

Nginx 的架构设计是其高性能、稳定性和可扩展性的基础。以下是 Nginx 架构的简要总结：

1. 主进程与工作进程模型

• Nginx 通常采用多进程架构，启动时会创建一个 master 进程和多个 worker 进程。

• Master 进程：负责全局配置加载、信号处理、管理工作进程以及重新加载配置文件等任务，但不直接处理网络请求。
• Worker 进程：实际处理客户端连接请求，每个进程都能独立高效地处理大量并发连接，它们之间通过共享内存进行通信，并且可以利用CPU多核优势。

2. 事件驱动机制

• Nginx 使用高效的事件处理机制，如 epoll（Linux）、kqueue（BSD）或 select/poll 等，在 Linux 下主要使用 epoll 实现异步非阻塞 I/O。
• 工作进程通过事件通知机制监听套接字状态变化，当有新的连接请求或数据可读写时，操作系统内核将通知相应的 worker 进程。

3. 内存池与缓存优化

• Nginx 内部使用内存池来管理内存分配，减少内存碎片和系统调用次数，提高内存利用率。
• 对于静态文件服务，Nginx 可以启用缓存功能，减少磁盘I/O操作，进一步提升性能。

4. 模块化设计

• Nginx 采用了高度模块化的结构，核心部分非常小巧精悍，功能则通过各种模块进行扩展，包括HTTP模块、邮件代理模块、反向代理模块、负载均衡模块等。

5. 负载均衡与反向代理

• Nginx 能够作为高性能的 HTTP 反向代理服务器，支持多种负载均衡算法（轮询、最少连接数、IP哈希等），将请求分发到后端不同的服务器上，实现高可用架构。

6. 零拷贝技术

• 在处理大文件传输时，Nginx 利用操作系统提供的零拷贝技术，减少数据在用户态和内核态之间不必要的复制操作，降低CPU占用并提高网络吞吐量。

7. 解决“惊群效应”

• 当一个新的连接到达时，传统的多进程模型可能导致所有worker进程都被唤醒，这种现象称为“惊群效应”。Nginx通过一些策略（例如使用accept_mutex锁）来避免过多进程被无谓唤醒。

总之，Nginx 通过上述这些架构特性构建了一个既能处理高并发连接又能保持低资源消耗的Web服务器环境，尤其适用于大规模网站和API服务场景。

六、完成nginx编译安装脚本

创建一个Nginx编译安装脚本通常涉及到从源代码构建Nginx，包括依赖包的安装、配置选项的选择以及最终的编译和安装步骤。以下是一个简化的示例脚本，适用于类Unix系统（如Ubuntu或CentOS），假设你已经下载了Nginx的源码包，并且系统中已经有了编译所需的工具链（如gcc、make等）。

#!/bin/bash

# 定义变量
NGINX_VER="1.24.0"  # 要安装的Nginx版本号
PCRE_VER="8.45"     # PCRE库版本
ZLIB_VER="1.2.11"   # Zlib库版本
OPENSSL_VER="1.1.1m" # OpenSSL库版本
USER="www-data"       # Nginx运行用户
GROUP="www-data"      # Nginx运行组

# 准备工作目录
WORK_DIR="/usr/local/src"
INSTALL_DIR="/usr/local/nginx-${NGINX_VER}"
LOG_DIR="/var/log/nginx"
PID_FILE="/var/run/nginx.pid"

# 更新系统并安装必要的编译工具
sudo apt update && sudo apt install -y build-essential curl libtool libpcre3-dev zlib1g-dev libssl-dev

# 下载并解压依赖包与Nginx源码
cd $WORK_DIR
curl -LO https://ftp.pcre.org/pub/pcre/pcre-${PCRE_VER}.tar.gz
curl -LO https://zlib.net/zlib-${ZLIB_VER}.tar.gz
curl -LO https://www.openssl.org/source/openssl-${OPENSSL_VER}.tar.gz
curl -LO https://nginx.org/download/nginx-${NGINX_VER}.tar.gz

tar -zxvf pcre-${PCRE_VER}.tar.gz
tar -zxvf zlib-${ZLIB_VER}.tar.gz
tar -zxvf openssl-${OPENSSL_VER}.tar.gz
tar -zxvf nginx-${NGINX_VER}.tar.gz

# 编译安装依赖库
cd $WORK_DIR/pcre-${PCRE_VER}
./configure && make && sudo make install

cd $WORK_DIR/zlib-${ZLIB_VER}
./configure && make && sudo make install

cd $WORK_DIR/openssl-${OPENSSL_VER}
./config --prefix=/usr/local/openssl-${OPENSSL_VER} shared && make && sudo make install

# 配置、编译和安装Nginx
cd $WORK_DIR/nginx-${NGINX_VER}

# 可根据需要调整Nginx的配置选项，例如启用或禁用模块
./configure \
  --prefix=${INSTALL_DIR} \
  --user=${USER} \
  --group=${GROUP} \
  --with-pcre=$WORK_DIR/pcre-${PCRE_VER} \
  --with-zlib=$WORK_DIR/zlib-${ZLIB_VER} \
  --with-openssl=/usr/local/openssl-${OPENSSL_VER} \
  --sbin-path=/usr/sbin/nginx \
  --conf-path=/etc/nginx/nginx.conf \
  --pid-path=${PID_FILE} \
  --error-log-path=${LOG_DIR}/error.log \
  --http-log-path=${LOG_DIR}/access.log \
  --with-http_ssl_module \
  # 其他可能的配置选项...

make
sudo make install

# 创建系统服务文件（对于systemd）
cat <<EOF | sudo tee /etc/systemd/system/nginx.service
[Unit]
Description=The NGINX HTTP and reverse proxy server
After=network.target

[Service]
Type=forking
User=${USER}
Group=${GROUP}
ExecStartPre=/usr/sbin/nginx -t
ExecStart=/usr/sbin/nginx
ExecReload=/usr/sbin/nginx -s reload
ExecStop=/usr/sbin/nginx -s quit
Restart=on-failure
PrivateTmp=true

[Install]
WantedBy=multi-user.target
EOF

# 启动Nginx服务并设置开机启动
sudo systemctl daemon-reload
sudo systemctl enable nginx
sudo systemctl start nginx

echo "Nginx ${NGINX_VER} has been successfully installed and configured."

# 清理工作目录（可选）
# rm -rf $WORK_DIR/{pcre*,zlib*,openssl*,nginx*}

exit 0

请注意，这个脚本是基于历史信息生成的一个示例，并非实时获取的最新软件包版本。在实际使用时，请检查官方网站以获得最新的稳定版软件包，并确保按照官方文档调整配置选项。同时，上述脚本并未包含所有可能的模块和配置项，具体配置应根据你的环境和需求进行定制。

七、总结nginx核心配置，并实现nginx多虚拟主机

Nginx的核心配置通常包含以下几个部分：

1. 全局块：

• 用于设置影响nginx服务器整体运行的配置，如worker进程数、错误日志路径、PID文件路径、连接超时时间等。

2. events块：

• 定义处理网络事件的模型和参数，例如使用哪种事件驱动模型（epoll, kqueue等）。

3. http块：

• 这是HTTP协议相关的配置区域，可以包含多个server块和其他子模块配置，如access_log、sendfile、gzip压缩等。

4. server块：

• 在http块内定义虚拟主机。每个server块代表一个独立的虚拟主机配置，通过监听不同的IP地址和/或端口以及server_name来区分不同的域名请求。

server {
    listen 80;
    server_name linux.com;
    root /usr/htdocs/linux_com;
    index index.html;

    location / {
        try_files $uri $uri/ =404;
    }
}

server {
    listen 80;
    server_name linux2.com;
    root /usr/htdocs/linux2_com;
    index index.html;

    location / {
        try_files $uri $uri/ =404;
    }
}

上述配置示例中，我们创建了两个虚拟主机，分别对应域名linux.com和linux2.com，它们各自指向不同的目录，当用户访问相应域名时，Nginx会将请求转发到对应的目录下查找资源。

1. location块：

• 在server块内部进一步细化请求处理规则，可以指定特定的URL前缀，并为这些请求提供单独的配置，如重写规则、代理设置、缓存策略等。

实现多虚拟主机的基本步骤如下：

• 打开Nginx的主配置文件，通常是 /etc/nginx/nginx.conf 或者 /usr/local/nginx/conf/nginx.conf（根据实际安装位置而定）。
• 在http块内添加多个server块，为每个虚拟主机指定唯一的server_name和相应的服务根目录root。
• 配置每个虚拟主机的其他特性，比如访问日志、SSL证书（如果需要HTTPS）、反向代理规则等。
• 保存配置文件后，检查语法是否正确：sudo nginx -t
• 如果没有语法错误，则重新加载Nginx以应用新的配置：sudo nginx -s reload

这样，Nginx就能根据请求中的域名信息，将流量分发到正确的虚拟主机上。

八、总结nginx日志格式定制

在Nginx中，日志格式是可以根据需求进行定制的。要自定义Nginx的日志格式，您需要在Nginx的配置文件（通常为nginx.conf或某个包含的虚拟主机配置文件如server块内）中使用log_format指令。以下是一个基本示例：

# 定义一个新的日志格式
log_format custom_format '$remote_addr - $remote_user [$time_local] '
                       '"$request" $status $body_bytes_sent '
                       '"$http_referer" "$http_user_agent"';

# 在access_log指令中引用自定义日志格式
access_log /var/log/nginx/custom.log custom_format;

在这个例子中，我们定义了一个名为custom_format的日志格式，它包括了以下几个预定义变量：

• $remote_addr：客户端IP地址。
• $remote_user：已认证用户的名称。
• $time_local：访问时间戳，例如 [22/Aug/2014:16:48:19 +0800]。
• "$request"：请求行，包括方法、URL和协议版本。
• $status：HTTP响应状态码。
• $body_bytes_sent：发送给客户端的字节数（不包括头部）。
• "$http_referer"：请求的引用页（如果有）。
• "$http_user_agent"：客户端的用户代理字符串。

如果您需要更复杂或者特殊的格式，比如JSON格式以方便日志分析工具处理，可以这样配置：

log_format json_format escape=json '{'
                          '"time": "$time_iso8601",'
                          '"client": "$remote_addr",'
                          '"user": "$remote_user",'
                          '"request": "$request",'
                          '"status": $status,'
                          '"bytes_sent": $body_bytes_sent,'
                          '"referer": "$http_referer",'
                          '"user_agent": "$http_user_agent"'
                          '}';

access_log /var/log/nginx/json.log json_format;

在这里，添加了escape=json参数来确保特殊字符被正确转义，生成的日志内容将是JSON格式。

请根据实际情况调整路径和日志格式内容，并在修改配置后记得重启Nginx服务使更改生效。