公司原有的测试数据库在主机 192.0.2.11 上，现在需要迁移到 192.0.2.12，为了不让各个业务方都需要更改连接地址，我们需要一个四层代理工具，将请求到 192.0.2.11 的流量转发到 192.0.2.12。同时，在高并发服务器环境中，端口复用技术可以显著提升 Nginx 的并发处理能力。本文将详细介绍这两个场景的完整配置。

版本说明

本文基于多篇历史文章合并整理，首次发布于 2018-11（端口转发部分），2022-09（端口复用部分）曾做修订。合并后版本写于 2026-09。

1. 四层代理实现端口转发

1.1 为什么需要四层代理

传统的七层代理（HTTP 反向代理）工作在应用层，只能处理 HTTP/HTTPS 协议。而在实际生产环境中，我们经常需要代理 TCP 流量，比如：

• 数据库迁移期间的端口转发（MySQL 3306、PostgreSQL 5432）
• SSH 远程访问穿透
• Redis 端口映射
• 内部服务对外暴露

Nginx 从 1.9.0 开始支持四层代理，通过 ngx_stream_core_module 模块实现。

1.2 模块编译

四层代理依赖 ngx_stream_core_module，默认不构建，需要使用 --with-stream 参数启用：

[root@linux-node1 src]# tar xf nginx-1.10.3.tar.gz 
[root@linux-node1 src]# cd nginx-1.10.3
[root@linux-node1 nginx-1.10.3]# useradd -s /sbin/nologin -M www
[root@linux-node1 nginx-1.10.3]# yum install gcc gcc-c++ zlib-devel pcre-devel openssl openssl-devel -y
[root@linux-node1 nginx-1.10.3]# ./configure --prefix=/usr/local/nginx-1.10.3 --user=www --group=www --with-http_ssl_module --with-http_stub_status_module --with-file-aio --with-stream
[root@linux-node1 nginx-1.10.3]# make && make install 

可通过 nginx -V 确认模块是否编译进来。

1.3 配置示例

SSH 端口转发

worker_processes  1;
events {
    worker_connections  1024;
}
stream {  
    upstream ssh_proxy {
        hash $remote_addr consistent;
        server 192.0.2.12:22;
    }
    server {
        listen 2222;
        proxy_connect_timeout 1s;
        proxy_timeout 10s;
        proxy_pass ssh_proxy;
    }
}

将本机 2222 端口转发到 192.0.2.12 的 22 端口：

[root@7-3 nginx]$ ssh -p 2222 root@192.0.2.11
root@192.0.2.11's password:
Last login: Wed Nov  7 15:24:33 2018 from 192.0.2.13
[root@7-2 ~]$ hostname -I
192.0.2.12

数据库端口转发

worker_processes  1;
events {
    worker_connections  1024;
}
stream {  
    upstream mysql_proxy {
        hash $remote_addr consistent;
        server 192.0.2.12:3306;
    }
    server {
        listen 3306;
        proxy_connect_timeout 1s;
        proxy_pass mysql_proxy;
    }
}

这样业务连接 192.0.2.11:3306 时流量会被转发到 192.0.2.12:3306，业务侧无需任何改动。

1.4 排障要点

• 连接超时：检查 proxy_connect_timeout 和 proxy_timeout 设置
• 无法绑定端口：确认目标端口是否被占用 netstat -tlnp
• 模块未加载：执行 nginx -V 确认包含 --with-stream

1.5 实际应用案例

在实际生产环境中，四层代理常见的应用场景包括：

场景一：数据库平滑迁移

某业务系统需要将 MySQL 从 IDC 机房的旧服务器（192.0.2.11）迁移到新服务器（192.0.2.12），但业务客户端配置文件无法批量修改。通过 Nginx 四层代理，旧 IP 的 3306 端口流量被无缝转发到新服务器，业务侧零感知完成迁移。

场景二：内网服务安全暴露

研发团队需要从办公网络访问位于 NAT 后的测试服务器 MySQL，通过 Nginx 跳板机做端口转发，只需开放跳板机的有限端口而非后端服务器。

场景三：多协议统一入口

在七层（HTTP）和四层（TCP）混合架构中，使用 Nginx 同时处理两种流量，减少服务器数量和运维复杂度。

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2. 端口复用：SO_REUSEADDR 与 SO_REUSEPORT

2.1 背景：TIME_WAIT 状态

在 TCP 连接关闭的四次挥手过程中，主动关闭方在发送最后一个 ACK 报文后会进入 TIME_WAIT 状态，持续时间通常是 2 * MSL（最大报文段生存时间），确保所有数据包都能被正确处理。在 TIME_WAIT 状态期间，端口默认无法被重新使用。

这对于需要频繁重启的服务或高并发连接来说，是显著的性能瓶颈。

2.2 SO_REUSEADDR 的作用

SO_REUSEADDR 是一个 socket 选项，允许在端口处于 TIME_WAIT 状态时重新使用该端口。在 Nginx 中使用方式如下：

server {
    listen 80 reuseport;
    server_name localhost;
    # ...
}

Linux 系统层面：

# 查看端口复用配置
sysctl net.ipv4.tcp_tw_reuse
# 临时启用
sysctl -w net.ipv4.tcp_tw_reuse=1

2.3 SO_REUSEPORT 的作用

SO_REUSEPORT 是另一个 socket 选项，允许多个套接字绑定到同一个端口，内核层面实现负载均衡。Nginx 1.9.1+ 支持此特性。

核心优势：

• 多 worker 负载均衡：每个 worker 进程都能独立处理连接，内核自动分发
• 提升吞吐：避免单进程成为瓶颈
• 减少锁竞争：相比传统的 accept_mutex 机制

2.4 Nginx 配置

Nginx 中 SO_REUSEADDR 默认已启用，只需在 listen 指令添加 reuseport 即可启用 SO_REUSEPORT：

worker_processes  auto;
worker_rlimit_nofile 65535;

events {
    worker_connections  1024;
}

stream {  
    upstream backend {
        server 192.0.2.12:3306;
        server 192.0.2.13:3306;
    }
    server {
        listen 3306 reuseport;
        proxy_pass backend;
        proxy_connect_timeout 10s;
        proxy_timeout 300s;
    }
}

http {
    include       mime.types;
    default_type  application/octet-stream;

    sendfile        on;
    tcp_nopush     on;
    tcp_nodelay    on;
    keepalive_timeout  65;

    server {
        listen 80 reuseport;
        server_name localhost;
        
        location / {
            root   html;
            index  index.html index.htm;
        }
    }
}

2.5 验证配置

# 查看端口监听
ss -lntp | grep nginx

# 如果 SO_REUSEPORT 配置成功，会看到多个 Nginx worker 进程都在监听同一个端口

# 压测验证
wrk -t4 -c1000 -d30s http://localhost/

2.6 适用场景与限制

适合使用 SO_REUSEPORT 的场景：

• 高并发短连接服务（如 API 网关）
• 需要充分利用多核 CPU 的场景
• 连接数极高的实时通信服务

不适合使用的场景：

• 单 worker 进程部署
• 已有负载均衡层（如 LVS）的场景
• 需要严格保证连接顺序的场景

2.7 排障案例：SO_REUSEPORT 导致连接失败

在实际运维中，使用 SO_REUSEPORT 也遇到过一些问题：

故障现象：启用 reuseport 后，部分客户端反馈连接被拒绝（Connection refused），但 Nginx 进程正常运行。

排查过程：

1. 检查端口监听状态：ss -lntp | grep 80 正常
2. 检查内核日志：dmesg | grep -i tcp 无异常
3. 检查 iptables 规则：iptables -L -n 无 drop 规则

根因分析：在某些老版本内核（3.x）中，SO_REUSEPORT 存在 bug，导致多个 worker 绑定同一端口时出现竞争条件，部分连接被内核错误拒绝。

解决方案：升级内核到 4.x+ 版本，或在无法升级的情况下关闭 reuseport，改用传统的 accept_mutex 机制。

2.8 性能对比数据

配置	QPS	平均响应时间	CPU 使用率
默认配置	12,000	8ms	85%
reuseport 启用	18,500	5ms	62%

以上数据来自 4 核 8G 服务器的压测结果，实际提升幅度与业务模型、连接长短有关。

2.9 与其他负载均衡方案的对比

作为单机负载均衡方案，Nginx reuseport 与其他方案的对比：

方案	适用场景	优点	缺点
Nginx reuseport	单机多 worker	配置简单，内核级负载均衡	只能在单机使用
LVS DR 模式	大规模流量	性能极高	需要额外服务器
DNS 轮询	多机房	简单易用	无容错能力
云负载均衡	云环境	功能丰富	成本较高

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3. 总结

特性	四层代理（stream）	端口复用（SO_REUSEPORT）
协议层	TCP/UDP（传输层）	TCP（传输层）
作用	流量转发	提升并发能力
Nginx 版本要求	1.9.0+	1.9.1+
典型场景	数据库迁移、内网穿透	高并发网关

四层代理解决的是"如何让流量到达正确的后端"，端口复用解决的是"如何让单个 Nginx 承载更高的并发"。两者可以结合使用：在启用 reuseport 的 stream 块中配置上游服务器，实现高并发的端口转发。

进阶技巧：TCP 代理的健康检查

在实际生产环境中，四层代理的健康检查与七层（HTTP）不同，需要依赖第三方模块或外部工具。可以使用 nginx 的商业版或开源模块 nginx_upstream_check_module 来实现：

# 编译时添加健康检查模块
./configure --add-module=./nginx_upstream_check_module --with-stream

配置示例：

stream {
    upstream backend {
        server 192.0.2.12:3306;
        server 192.0.2.13:3306;
        check interval=3000 rise=2 fall=3 timeout=1000 type=tcp;
    }
    server {
        listen 3306 reuseport;
        proxy_pass backend;
    }
}

check interval=3000 表示每 3 秒检查一次，rise=2 表示连续 2 次成功则认为服务器上线，fall=3 表示连续 3 次失败则下线，timeout=1000 表示超时 1 秒。

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4. 参考

• nginx stream module 官方文档 (opens new window)
• Linux socket 选项 SO_REUSEPORT 详解 (opens new window)

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