1、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？

2、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。

3、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。

4、负载均衡常用的处理方式

4.1 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。无法控制服务的流量

4.2 方式二:DNS轮询方式

DNS：域名系统（服务）协议（DNS）是一种分布式网络目录服务，主要用于域名与 IP 地址的相互转换。
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。

ipconfig/flushdns
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C:\Users\zengqfa>ping www.baidu.com

正在 Ping www.a.shifen.com [183.232.231.172] 具有 32 字节的数据:
来自 183.232.231.172 的回复: 字节=32 时间=12ms TTL=57
来自 183.232.231.172 的回复: 字节=32 时间=13ms TTL=57
来自 183.232.231.172 的回复: 字节=32 时间=13ms TTL=57
来自 183.232.231.172 的回复: 字节=32 时间=13ms TTL=57

183.232.231.172 的 Ping 统计信息:
    数据包: 已发送 = 4，已接收 = 4，丢失 = 0 (0% 丢失)，
往返行程的估计时间(以毫秒为单位):
    最短 = 12ms，最长 = 13ms，平均 = 12ms

C:\Users\zengqfa>ipconfig/flushdns

Windows IP 配置

已成功刷新 DNS 解析缓存。

C:\Users\zengqfa>ping www.baidu.com

正在 Ping www.a.shifen.com [183.232.231.174] 具有 32 字节的数据:
来自 183.232.231.174 的回复: 字节=32 时间=8ms TTL=57
来自 183.232.231.174 的回复: 字节=32 时间=8ms TTL=57
来自 183.232.231.174 的回复: 字节=32 时间=10ms TTL=57
来自 183.232.231.174 的回复: 字节=32 时间=10ms TTL=57

183.232.231.174 的 Ping 统计信息:
    数据包: 已发送 = 4，已接收 = 4，丢失 = 0 (0% 丢失)，
往返行程的估计时间(以毫秒为单位):
    最短 = 8ms，最长 = 10ms，平均 = 9ms
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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。

4.3 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。

实现四层负载均衡的方式：
硬件：F5 BIG-IP、Radware等
软件：LVS、Nginx、Hayproxy等
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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

 实现七层负载均衡的方式：
 软件：Nginx、Hayproxy等
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四层和七层负载均衡的区别

四层负载均衡数据包是在底层就进行了分发，而七层负载均衡数据包则在最顶端进行分发，所以四层负载
均衡的效率比七层负载均衡的要高。
四层负载均衡不识别域名，而七层负载均衡识别域名。
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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

 四层负载(LVS)+七层负载(Nginx)
1

5、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】。

5.1 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。

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

5.2 Nginx七层负载均衡的实现流程

server {
    listen   9001;
    server_name localhost;
    default_type text/html;
    location /{
    	return 200 '
192.168.75.134:9001
';
    }
}
server {
    listen   9002;
    server_name localhost;
    default_type text/html;
    location /{
    	return 200 '
192.168.75.134:9002
';
    }
}
server {
    listen   9003;
    server_name localhost;
    default_type text/html;
    location /{
    	return 200 '
192.168.75.134:9003
';
    }
}
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负载均衡器设置

upstream backend{
	server 192.168.75.134:9001;
	server 192.168.75.134:9002;
	server 192.168.75.134:9003;
}
server {
	listen 8083;
	server_name localhost;
	location /{
		proxy_pass http://backend;
	}
}
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5.3 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：

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。

 upstream backend{
     server 192.168.75.134:9001 down;
     server 192.168.75.134:9002;
     server 192.168.75.134:9003;
 }
 server {
     listen 8083;
     server_name localhost;
     location /{
         proxy_pass http://backend;
     }
 }
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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。

 upstream backend{
     server 192.168.75.134:9001 down;
     server 192.168.75.134:9002 backup;
     server 192.168.75.134:9003;
 }
 server {
     listen 8083;
     server_name localhost;
     location /{
         proxy_pass http://backend;
     }
 }
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此时需要将9003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

 firewall-cmd --query-port=9001/tcp
1

如何开放一个指定的端口

 firewall-cmd --permanent --add-port=9002/tcp
1

批量添加开发端口

 firewall-cmd --permanent --add-port=9001-9003/tcp
1

如何移除一个指定的端口

 firewall-cmd --permanent --remove-port=9003/tcp
1

重新加载

 firewall-cmd --reload
1

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。

upstream backend{
	server 192.168.75.134:9001 down;
	server 192.168.75.134:9002 backup;
	server 192.168.75.134:9003 max_fails=3 fail_timeout=15;
}
server {
	listen 8083;
	server_name localhost;
	location /{
		proxy_pass http://backend;
	}
}
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5.4 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:

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。

 upstream backend{
     server 192.168.75.134:9001 weight=1;
     server 192.168.75.134:9002;
     server 192.168.75.134:9003;
 }
 server {
     listen 8083;
     server_name localhost;
     location /{
         proxy_pass http://backend;
     }
 }
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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。

 upstream backend{
     server 192.168.75.134:9001 weight=10;
     server 192.168.75.134:9002 weight=5;
     server 192.168.75.134:9003 weight=3;
 }
 server {
     listen 8083;
     server_name localhost;
     location /{
         proxy_pass http://backend;
     }
 }
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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。

 upstream backend{
     ip_hash;
     server 192.168.75.134:9001;
     server 192.168.75.134:9002;
     server 192.168.75.134:9003;
 }
 server {
     listen 8083;
     server_name localhost;
     location /{
         proxy_pass http://backend;
     }
 }
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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。

upstream backend{
	least_conn;
	server 192.168.75.134:9001;
	server 192.168.75.134:9002;
	server 192.168.75.134:9003;
}
server {
	listen 8083;
	server_name localhost;
	location /{
		proxy_pass http://backend;
	}
}
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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。

upstream backend{
	hash $request_uri;
	server 192.168.75.134:9001;
	server 192.168.75.134:9002;
	server 192.168.75.134:9003;
}
server {
	listen 8083;
	server_name localhost;
	location /{
		proxy_pass http://backend;
	}
}
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访问如下地址：

http://192.168.75.131:8083/a
http://192.168.75.131:8083/b
http://192.168.75.131:8083/c
http://192.168.75.131:8083/d

C:\Users\zengqfa>curl http://192.168.75.131:8083/a
<h1>192.168.75.134:9002</h1>
C:\Users\zengqfa>curl http://192.168.75.131:8083/b
<h1>192.168.75.134:9003</h1>
C:\Users\zengqfa>curl http://192.168.75.131:8083/c
<h1>192.168.75.134:9002</h1>
C:\Users\zengqfa>curl http://192.168.75.131:8083/d
<h1>192.168.75.134:9001</h1>
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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。

upstream backend{
	fair;
	server 192.168.75.134:9001;
	server 192.168.75.134:9002;
	server 192.168.75.134:9003;
}
server {
	listen 8083;
	server_name localhost;
	location /{
		proxy_pass http://backend;
	}
}
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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:

1. 下载nginx-upstream-fair模块

下载地址为:
https://github.com/gnosek/nginx-upstream-fair 
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2

2. 将下载的文件上传到服务器并进行解压缩

unzip nginx-upstream-fair-master.zip 
1

3. 重命名资源

mv nginx-upstream-fair-master fair 
1

4. 使用./configure命令将资源添加到Nginx模块中

./configure --add-module=/root/fair 
1

5. 编译

make 
1

编译可能会出现如下错误，ngx_http_upstream_srv_conf_t结构中缺少default_port

in_port_t	   default_port
1

6. 更新Nginx

6.1 将sbin目录下的nginx进行备份

mv /usr/local/nginx/sbin/nginx /usr/local/nginx/sbin/nginxold
1

6.2 将安装目录下的objs中的nginx拷贝到sbin目录

cd objs
cp nginx /usr/local/nginx/sbin
1
2

6.3 更新Nginx

cd ../
make upgrade 
1
2

7. 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。

5.5 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

upstream backend{
	server 192.168.75.134:9001;
	server 192.168.75.134:9002;
	server 192.168.75.134:9003;
}
server {
	listen 8083;
	server_name localhost;
	location /{
		proxy_pass http://backend;
	}
}
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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

upstream backend{
	server 192.168.75.134:9001 weight=7;
	server 192.168.75.134:9002 weight=5;
	server 192.168.75.134:9003 weight=3;
}
server {
	listen 8083;
	server_name localhost;
	location /{
		proxy_pass http://backend;
	}
}
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案例三：对特定资源实现负载均衡

服务端[192.168.75.134]：

server {
        listen          9001;
        server_name     localhost;
        default_type text/html;
        return 200 '
192.168.75.134:9001
';
}
server {
        listen          9002;
        server_name     localhost;
        default_type text/html;
        return 200 '
192.168.75.134:9002
';
}
server {
        listen          9003;
        server_name     localhost;
        default_type text/html;
        return 200 '
192.168.75.134:9003
';
}
server {
        listen          9004;
        server_name     localhost;
        default_type text/html;
        return 200 '
192.168.75.134:9004
';
}
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客户端[192.168.75.131]：

upstream videobackend{
	server 192.168.75.134:9001;
	server 192.168.75.134:9002;
}
upstream filebackend{
	server 192.168.75.134:9003;
	server 192.168.75.134:9004;
}
server {
	listen 8084;
	server_name localhost;
	location /video/ {
		proxy_pass http://videobackend;
	}
	location /file/ {
		proxy_pass http://filebackend;
	}
}
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测试：

C:\Users\zengqfa>curl http://192.168.75.131:8084/video/
<h1>192.168.75.134:9002</h1>
C:\Users\zengqfa>curl http://192.168.75.131:8084/video/
<h1>192.168.75.134:9001</h1>
C:\Users\zengqfa>curl http://192.168.75.131:8084/file/
<h1>192.168.75.134:9004</h1>
C:\Users\zengqfa>curl http://192.168.75.131:8084/file/
<h1>192.168.75.134:9003</h1>
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案例四：对不同域名实现负载均衡

修改hosts文件：

192.168.75.131 www.slfxitem.cn
192.168.75.131 www.slfxorder.cn
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upstream itembackend{
	server 192.168.75.134:9001;
	server 192.168.75.134:9002;
}
upstream orderbackend{
	server 192.168.75.134:9003;
	server 192.168.75.134:9004;
}
server {
	listen	8085;
	server_name www.slfxitem.cn;
	location / {
		proxy_pass http://itembackend;
	}
}
server {
	listen	8086;
	server_name www.slfxorder.cn;
	location / {
		proxy_pass http://orderbackend;
	}
}
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测试：

C:\Users\zengqfa>curl www.slfxitem.cn:8085
<h1>192.168.75.134:9001</h1>
C:\Users\zengqfa>curl www.slfxitem.cn:8085
<h1>192.168.75.134:9002</h1>
C:\Users\zengqfa>curl www.slfxorder.cn:8086
<h1>192.168.75.134:9003</h1>
C:\Users\zengqfa>curl www.slfxorder.cn:8086
<h1>192.168.75.134:9004</h1>
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案例五：实现带有URL重写的负载均衡

upstream backend{
	server 192.168.75.134:9001;
	server 192.168.75.134:9002;
	server 192.168.75.134:9003;
}
server {
	listen	8087;
	server_name localhost;
	location /file/ {
		rewrite ^(/file/.*) /server/$1 last;
	}
	location /server {
		proxy_pass http://backend;
	}
}
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测试：

C:\Users\zengqfa>curl http://192.168.75.131:8087/file/
<h1>192.168.75.134:9001</h1>
C:\Users\zengqfa>curl http://192.168.75.131:8087/file/
<h1>192.168.75.134:9002</h1>
C:\Users\zengqfa>curl http://192.168.75.131:8087/file/
<h1>192.168.75.134:9003</h1>
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6、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:

》将原有/usr/local/nginx/sbin/nginx进行备份
》拷贝nginx之前的配置信息
》在nginx的安装源码进行配置指定对应模块  ./configure --with-stream
》通过make模板进行编译
》将objs下面的nginx移动到/usr/local/nginx/sbin下
》在源码目录下执行  make upgrade进行升级，这个可以实现不停机添加新模块的功能
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6.1 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。

upstream指令

该指令和http的upstream指令是类似的。

6.2 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两个Redis，端口分别是6379,6378
1.下载redis的安装包

wget http://download.redis.io/releases/redis-5.0.4.tar.gz
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2.将安装包进行解压缩

tar -xzvf redis-5.0.4.tar.gz
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3.进入redis的安装包

 cd redis-5.0.4
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4.使用make和install进行编译和安装

 mkdir -p /usr/local/redis/redis01
 make PREFIX=/usr/local/redis/redis01 install
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5.拷贝redis配置文件redis.conf到/usr/local/redis/redis01/bin目录中

 cp redis.conf   /usr/local/redis/redis01/bin
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6.修改redis.conf配置文件

cd  /usr/local/redis/redis01/bin

port  6379      #redis的端口
daemonize yes   #后台启动redis
bind 0.0.0.0  #允许远程客户端连接redis
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7.将redis01复制一份为redis02

cd /usr/local/redis
cp -r redis01 redis02
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8.将redis02文件文件夹中的redis.conf进行修改

cd redis02/bin/

port  6378      #redis的端口
daemonize yes   #后台启动redis
bind 0.0.0.0  #允许远程客户端连接redis
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9.分别启动，即可获取两个Redis.并查看

 ./redis-server redis.conf
 
[root@k8snode2 bin]# ps -ef|grep redis
root      90408      1  0 16:31 ?        00:00:00 ./redis-server 127.0.0.1:6378
root      90688      1  0 16:32 ?        00:00:00 ./redis-server 127.0.0.1:6379
root      90693   3907  0 16:32 pts/2    00:00:00 grep --color=auto redis
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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-8.5.27.tar.gz
2.将安装包进行解压缩

 tar -zxf apache-tomcat-8.5.27.tar.gz
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3.进入tomcat的bin目录

 cd apache-tomcat-8.5.27/bin
 chmod 777 *.sh
 sudo sh startup.sh
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查看首页：http://192.168.75.134:8080/
在代理服务器[ 192.168.75.131]上的nginx.conf进行配置

stream {
  upstream redisbackend {
    server 192.168.75.134:6379;
    server 192.168.75.134:6378;
  }
  upstream tomcatbackend {
    server 192.168.75.134:8080;
  }
  server {
    listen  81;
    proxy_pass redisbackend;
  }
  server {
    listen  82;
    proxy_pass tomcatbackend;
  }
}
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访问测试redis
准备数据：连接两台redis，分别对同一个key设置不同的值

F:\Redis-x64-5.0.14>redis-cli -h 192.168.75.134 -p 6378
192.168.75.134:6378> set slfx 6378
OK
192.168.75.134:6378> ^C
F:\Redis-x64-5.0.14>redis-cli -h 192.168.75.134 -p 6379
192.168.75.134:6379> set slfx 6379
OK
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通过redis连接

F:\Redis-x64-5.0.14>redis-cli -h 192.168.75.131 -p 81
192.168.75.131:81> get slfx
"6379"
192.168.75.131:81> ^C
F:\Redis-x64-5.0.14>redis-cli -h 192.168.75.131 -p 81
192.168.75.131:81> get slfx
"6378"
192.168.75.131:81>
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访问测试tomcat：http://192.168.75.131:82/