Service Mesh 数据平面 SOFAMosn 深层揭秘

阅读数:885 2019 年 9 月 4 日 17:23

Service Mesh 数据平面 SOFAMosn 深层揭秘

小蚂蚁说:

本文是基于作者在 Service Mesh Meetup #2 北京的主题分享《蚂蚁金服 Service Mesh 数据平面 SOFAMosn 深层解密》部分内容所整理。

Service Mesh 数据平面 SOFAMosn 深层揭秘

今天给大家带来的分享内容是蚂蚁金服 Service Mesh 数据平面 SOFAMosn 深层揭秘,github 地址:

https:// github. com/alipay/sofa-mosn

承接小剑老师在 Service Mesh Meetup #1 杭州的主题《大规模微服务架构下的 Service Mesh 探索之路》对 SOFAMosn 的分享,本次聚焦在数据平面在蚂蚁落地的思考和探索。

上一次分享小剑老师已经介绍了 SOFAMesh 的技术选型,以及我们在开源和自研方面的一些权衡。

呼应这个话题我们首先来看一下为什么蚂蚁会选择 Service Mesh ,重点归纳为 4 个方面:

蚂蚁正在全面拥抱微服务,云原生,不管是 SOFA5,还是兼容 K8S 的容器平台 Sigma 落地,Service Mesh 都是不可获取的重要组件。

其次,蚂蚁的运维体系在服务层面基于流量调度工作,比如说 LDC 架构在逻辑 zone 间的调度流量,再比如弹性伸缩,本质上也是在异构机房间调度流量,此外还有像逻辑 zone 蓝绿发布,机房容灾等都需要在流量调度能力上更健壮,更灵活,更具扩展性。

此外,由于蚂蚁的金融属性,我们在服务鉴权等方面有更严格的要求,比如说国密的落地,加密卡内的证书管理,加解密等方面,不止要求更高的安全级别,还要有承载大流量的能力。同时我们看到,zero trust 网络架构也在加速发展,这与我们的诉求不谋而合。

最后,蚂蚁内部技术栈多样,但多种语言体系融合仍然成本很高。举个例子,非 SOFA 语言与 SOFA 互通要理解配置中心,SOFARPC 的序列化等逻辑,如果在生产环境部署还要理解 LDC 路由规则,而这些共性需求都可以通过下沉到 Mesh 体系来解决。

了解 SOFAMesh 的同学应该知道,蚂蚁选择了使用 Golang 自研数据平面,做这个决定我们重点考虑了未来的技术选型,跨团队研发效率,蚂蚁现有技术体系,运维体系等因素;同时通过调研和验证,Golang 版本的性能也是我们可以接受的。

SOFAMosn 介绍

接下来,我会向大家介绍由蚂蚁和 UC 联合研发的 Mesh 数据平面,我们为他取名 SOFAMosn。

SOFAMesh 的整体架构

大家看到的图示是基于 Istio 的架构,在数据平面我们使用 SOFAMosn 替代了 Envoy,同时加入了一些蚂蚁实践中摸索的改进。

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0.1.0 版本的 SOFAMosn 支持了 xDS V0.4 api 核心能力,重点支持了 SOFARPC 协议,并在蚂蚁内部在生产环境使用;同时支持了 HTTP/1.1,HTTP/2.0 的基本功能,但目前暂未在生产环境使用。

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SOFAMosn 的核心设计思路

首先,将 SOFAMosn 作为代理处理的数据流划分为 4 层,在入方向数据依次经过网络 IO 层,二进制协议处理层,协议流程处理层,转发路由处理层;出向与入向过程基本相反。

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了解了分层的基本思路,具体介绍一下各层的具体职能:

  • IO 层提供了 IO 读写的封装以及可扩展的 IO 事件订阅机制
  • PROTOCOL 层提供了根据不同协议对数据进行序列化 / 反序列化的处理能力
  • STREAMING 层提供向上的协议一致性,负责 STREAM 生命周期,管理 Client / Server 模式的请求流行为,对 Client 端 stream 提供池化机制等
  • Proxy 层提供路由选择,负载均衡等的能力,让前后端 stream 流转起来。大家可以从这张图清晰的看到单向请求流转的过程。

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了解了分层设计和转发流程,我们再看下线程模型。从 0.1.0 版本的线程模型,可以看到每个链接的 IO 协程是成对出现的,读协程负责读取,事件机制及 Codec 逻辑,数据上升到 steam 层,具体的 stream 事件由独立的常驻 worker 协程池负责处理。

在 0.2.0 版本中我们将会进行多核优化,读协程将不再负责 codec 逻辑,将转发由 codec worker pool 来进行。从发展方向上看,我们会借鉴 SEDA 的思路,将转发流程中每一阶段的处理抽象为一个 stage,通过 task queue,worker 协程池,controller 的机制来对每一个阶段进行处理。从技术实现上看,Golang 实现 SEDA 机制的组件也更简单。

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SOFAMosn 的模块划分

除了刚才介绍了 4 个核心模块,还有如路由模块负责请求的路由寻址,后端管理模块负责管理后端的生命周期,健康度等。其中蓝色的框是 SOFAMosn 0.1.0 会涉及到的功能模块,红色的虚线框是我们规划去实现,或实验的一些 topic。这方面也欢迎大家加入我们一起来建设。

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最后总结一下,模块化,分层解耦是 SOFAMosn 设计的初衷,此外可编程性,事件机制,扩展性,高吞吐量,都是设计中的重要考量因素。

SOFAMosn 核心能力

介绍完结构设计方面的一些思路,我们来看看 SOFAMosn 0.1.0 的核心能力。

在网络核心能力方面,我们将 IO 处理相关能力封装抽象成可编程接口,这部分我们已经做过性能优化,可以单独使用;SOFAMosn 提供了内置的 TCP 代理功能,也做过性能优化,可单独使用;此外 SOFAMosn 支持 TLS 链路加密,目前复用了 Golang 的实现,后面的章节会介绍 Golang TLS 性能实验。SOFAMosn 可以配合 iptables 透明转发支持 TProxy 模式。同时,MOSN 支持平滑 reload,平滑升级。

在多协议方面,0.1.0 版本中 SOFAMosn 重点支持 SOFARPC,并已运用在蚂蚁生产环境中。同时 SOFAMosn 支持 HTTP/1.1,HTTP/2.0 的基本功能,实现方式是使用开源的 HTTP/1.1 实现 FastHTTP 和 Golang 自带的 HTTP2 实现。由于 FastHTTP 和 HTTP2 都自带了 IO,链接池等功能,所以这两个协议的支持暂时是脱离 SOFAMosn 整体设计的,性能等方面也还没有做优化,我们会在后续版本迭代考虑将其纳入到 SOFAMosn 的框架体系,并进行性能优化。此外,我们正在研发 Dubbo,HSF 的支持,会在后续版本中推出。同时,目前已支持的 SOFARPC,HTTP/1.1,HTTP/2.0 都支持 Mes h 间的 TLS 链路加密。

此处,在核心路由方面,0.1.0 版本 SOFAMosn 在核心功能上对齐 Envoy,支持 virtual host 匹配,支持 route match 匹配,支持 subset 路由匹配 / 负载均衡。

在后端管理功能方面,支持基础负载均衡算法,支持主动健康检查等必须功能。

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除核心功能外,SOFAMosn 根据我们落地的一些经验提供了一些亮点功能。

首先,SOFAMosn 支持 X-PROTOCOL,一种更轻量级的方式支持自定义 RPC 协议,对于无需解包的相对简单的场景,将 RPC 数据作为 TCP 或者 HTTP/2.0 的 payload 进行转发,同时支持所有无需解包的路由负载策略。

同时我们计划在 X-PROTOCOL 中加入编解码扩展点,支持需要解包的场景。在平滑升级的支持上,除了经典的传递 listener fd+ 协议层等待方式,SOFAMosn 支持对存量链接进行协议无关的迁移。同时为了部署升级,SOFAMosn 支持指定 / 更新前后端通信协议。

在 Istio 集成方案上,SOFAMosn 0.1.0 支持 Istio 0.8 版本 Pilot V0.4API 全动态配置运行,支持 xDS on ADS 核心功能,后续版本会不断补齐功能。SOFAMosn 同时支持静态配置模型运行。

除了能力支持,SOFAMosn 在网络层,协议处理层,基于 TCP 的私有协议层都提供了可扩展的能力,使得自定义业务可以优雅集成。在蚂蚁落地的过程中我们内部的 SOFAMosn 依赖于开源版本,通过可扩展的方式来实现蚂蚁内部的自有业务,在工程落地上提供了可行的方案。

SOFAMosn 性能

在介绍了核心功能以后,我们再看另一个大家非常关注的问题,性能,这也是目前关注度较高的问题之一。

在 SOFAMosn 0.1.0 版本,我们重点优化了基于 SOFAMosn 整体框架的协议在 Sidecar 模式下单核转发的性能,即 TCP,SOFARPC 的单核转发性能。

首先我们分享一下我们在单核场景下优化的一些手段和经验。我们使用的方式主要是独占绑核,内存,IO,调度等方面进行优化。

首先看绑核,在指定 P=1 的情况下,独占绑核不论在系统调用执行效率,cache locality affinity 两个方面都比更表现更好,整体吞吐量提升大约 30%。其次是内存优化,我们采样了 SLAB-style 的回收机制来提高复用,减少内存 copy;

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同时在内存分配上需要考虑 Golang 内存模型的亲和性,尽量减少 arena 区内存申请;最后,大家都知道 Golang 的 GC 需要是你要去熟悉并适应他的,很多细节需要关注,尽量减少 GC scanobject 的压力。

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在 IO 方案,Golang 的 IO 模型是同步化的,在读方面既要尽可能多读,又要避免频繁调用 SetReadDeadline 造成的的影响,在我们压测下面频繁调用 SetReadDeadline 会对吞吐量有一定影响。在写方面需要适度 buffer,例如由多 worker 协程驱动造成某个 IO 协程频繁写系统 IO 也会造成吞吐量下降。另一个需要注意的方面是,在多协程场景下需要避免读写频率不均衡,这也是造成整体吞吐量下降的一个潜在原因。

另外,如果读或写大量触发,会造成大量系统调用,这会引起 Golang runtime 调度成本升高。在 Golang runtime 调度方面,首先会触发协程调度造成时间消耗,同时 runtime 调度本身没有 OS 线程调度灵敏,也会有一定的时间损耗。同时 OS 系统调用本身也有会耗时,会造成性能下降。

这里我分享一些我们在性能优化过程中遇到的真实的 case,除了 IO 方面的思考,还要关注一下调度均衡方面的问题。

首先我们利用协程池化来避免 runtime.morestack 的问题,其次在单核场景下需要重点关注 G 是否在饥饿状态,造成资源浪费。

介绍完性能优化的一些过程,我们来看一下目前我们在性能优化上的一些结果,即单核 TCP 转发的性能,和单核 SOFARPC 转发的性能。可以看到,在单核 TCP 转发场景,SOFAMosn 0.1.0 版本和 Envoy 1.7 版本转发性能差距可控,后续版本我们会继续优化。

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此外,前面提到过 TLS 的实现,我们再来看一下性能方面的一些探索。首先介绍了一下测试的场景。在这个场景下,我们发现对于 ECDHE 算法,Golang 原生的实现性能虽然低于 Ningx(使用 OpenSSL),但是高于 Golang with boring SSL。通过对具体算法和协议的性能压测,代码调研我们得出如下结论。可以看出对于 ECDHE-P256 加密套件,Golang 原生实现的性能是很不错的,可以放心使用。

Service Mesh 数据平面 SOFAMosn 深层揭秘
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除了这些优化点以后,我们会在后续版本持续进行性能优化,多核优化,内存优化,同时利用用户态,内核态的加速技术来提升 SOFAMosn 的转发性能。在 TLS 加解密方面,我们将会尝试基于本地加速卡和 Keyless 架构的 Offload 加速,这也是我们在蚂蚁网络从中已经落地的一些技术手段。

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RoadMap

最后介绍一下 SOFAMesh 的 RoadMap:

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8 月第一周我们将发布 SOFAMesh 0.1.0 版本,这个版本重点支持 Proxy 核心能力,支持 xDS V0.4 API 核心功能,支持 SOFARPC 等通信协议。

8 月底我们将发布 0.2.0 版本,在不断完善提升核心能力的基础上,我们会完善 X-Protocol 的功能和扩展性,以支持私有 RPC 协议扩展;同时我们将支持 Dubbo/HSF 通讯协议,并接入基于 ZK 的服务注册中心。同时我们将重点加强 HTTP/2.0 的功能,性能优化。我们还将支持 K8S operator,使得 SOFA Mesh 可以接入 K8S 资源。

除功能性补强以外,我们会持续优进行性能优化,重点在多核性能,整体内存优化。此外,我们会持续推进代码优化,完善测试等基础性工作。

9 月底我们将发布 0.3.0,重点提供 Mixer 集成,提供 precondition,quota,report 功能。同时在 9 月提供熔断和限流的能力。

目前 SOFAMosn 仍然是一个初级版本,我们将持续投入补充,改进,优化,也欢迎开源社区感兴趣的朋友一起加入 SOFAMesh 开源版的建设。

作者介绍:
朵晓东,花名奕杉,蚂蚁金服高级技术专家,专注云计算技术及产品。Apache Kylin 创始团队核心成员,蚂蚁金融云 PaaS 创始团队核心成员,Antstack 网络产品负责人,SOFAMesh 创始团队核心成员之一。

本文转载自公众号蚂蚁金服科技(ID:Ant-Techfin)。

原文链接:

https://mp.weixin.qq.com/s/DJ_IeDswGGFQiWqJ75pmig

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