通过双十一大考!基于 Golang 的 SOFAMosn 深度剖析

2019年,Service Mesh架构在蚂蚁金服大规模落地,基于 Golang 的数据平面SOFAMosn 在落地过程中经历了双十一等众多挑战,如 Go 各版本的测试选择和参数调整、国密能力的支持、平滑无损升级能力、Runtime bug 的排查修复过程、内存复用、日志异步化等一系列优化。在 Gopher Meetup 北京站上,蚂蚁金服技术专家田阳(烈元)进行了主题为《深度剖析 SOFAMosn -云原生时代的安全网络代理》的演讲。将以上内容从实践出发,一一道来。

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以下为演讲内容整理。

00

揭秘 Service Mesh 双十一大考

蚂蚁金服很早开始关注 Service Mesh,并在 2018 年发起 ServiceMesher 社区,目前已有 4000+ 开发者在社区活跃。在技术应用层面,Service Mesh 的场景已经渡过探索期,今年已经全面进入深水区探索。

Service Mesh 基础概念

Istio 清晰的描述了 Service Mesh 最核心的两个概念:数据面与控制面。数据面负责做网络代理,在服务请求的链路上做一层拦截与转发,可以在链路中做服务路由、链路加密、服务鉴权等,控制面负责做服务发现、服务路由管理、请求度量(放在控制面颇受争议)等。

Service Mesh 带来的好处不再赘述,我们来看下蚂蚁金服的数据面和控制面产品:

  1. 数据面:SOFAMosn。蚂蚁金服使用 Golang 研发的高性能网络代理,作为 Service Mesh 的数据面,承载了蚂蚁金服双十一海量的核心应用流量。

  2. 控制面:SOFAMesh。Istio 改造版,落地过程中精简为 Pilot 和 Citadel,Mixer 直接集成在数据面中避免多一跳的开销。

双十一落地情况概览

今年,蚂蚁金服的核心应用全面接入 SOFAMosn,生产 Mesh 化容器几十万台,双十一峰值 SOFAMosn 承载数据规模数千万 QPS,SOFAMosn 转发平均处理耗时 0.2ms。

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在如此大规模的接入场景下,我们面对的是极端复杂的场景,同时需要多方全力合作,更要保障数据面的性能稳定性满足大促诉求,整个过程极具挑战。

SOFAMosn 总览

先总览介绍一下Mosn产品,Mosn是一个多协议、多模块的安全网关、网络代理。它是开源的,采用 Golang 编写。为什么会选择 Go 语言呢?因为 Mosn 是一个比较跨团队的项目,包括系统、中间件、安全等很多团队,每个团队的技术栈都不一样。比如说系统部的技术栈就是 Go 语言,中间件就是 JAVA,安全团队可能有 C++,因此在大团队协作下面就需要有一个编写快捷、使用起来比较方便、在落地成本上也能满足我们的需求的语言,而Go 语言的性能和人力开发成本确实满足我们的需求。

SOFAMosn 项目地址:

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

基础能力建设

01

SOFAMosn 的能力大图

SOFAMosn 主要划分为如下模块,包括了网络代理具备的基础能力,也包含了 XDS 等云原生能力。

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02

业务支持

SOFAMosn 作为底层的高性能安全网络代理,支撑了 RPC,MSG,GATEWAY 等业务场景。

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03

IO 模型

SOFAMosn 支持两种 IO 模型,一个是 Golang 经典模型,goroutine-per-connection;一个是 RawEpoll 模型,也就是 Reactor 模式,I/O 多路复用(I/O multiplexing) + 非阻塞 I/O(non-blocking I/O)的模式。

在蚂蚁金服内部的落地场景,连接数不是瓶颈,都在几千或者上万的量级,我们选择了 Golang 经典模型。而对于接入层和网关有大量长链接的场景,更加适合于 RawEpoll 模型。

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04

协程模型

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  • 一条 TCP 连接对应一个 Read 协程,执行收包,协议解析;

  • 一个请求对应一个 worker 协程,执行业务处理,proxy 和 Write 逻辑;

常规模型一个 TCP 连接将有 Read/Write 两个协程,我们取消了单独的 Write 协程,让 workerpool 工作协程代替,减少了调度延迟和内存占用。

05

能力扩展

协议扩展

SOFAMosn 通过使用同一的编解码引擎以及编/解码器核心接口,提供协议的 plugin 机制,包括支持:

  • SOFARPC;

  • HTTP1.x/HTTP2.0;

  • Dubbo;

NetworkFilter 扩展

SOFAMosn 通过提供 network filter 注册机制以及统一的 packet read/write filter 接口,实现了 Network filter 扩展机制,当前支持:

  • TCP proxy;

  • Fault injection;

StreamFilter 扩展

SOFAMosn 通过提供 stream filter 注册机制以及统一的 stream send/receive filter 接口,实现了 Stream filter 扩展机制,包括支持:

  • 流量镜像;

  • RBAC鉴权;

06

TLS 安全链路

作为金融科技公司,资金安全是最重要的一环,链路加密又是其中最基础的能力,在 TLS 安全链路上我们进行了大量的调研测试。

通过测试,原生的 Go 的 TLS 经过了大量的汇编优化,在性能上是 Nginx(OpenSSL)的80%,Boring 版本的 Go(使用 cgo 调用 BoringSSL) 因为 cgo 的性能问题, 并不占优势,所以我们最后选型原生 Go 的 TLS,相信 Go Runtime 团队后续会有更多的优化,我们也会有一些优化计划。

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  • go 在 RSA 上没有太多优化,go-boring(CGO)的能力是 go 的1倍;

  • p256 在 go 上有汇编优化,ECDSA 优于go-boring;

  • 在 AES-GCM 对称加密上,go 的能力是 go-boring 的20倍;

  • 在 SHA、MD 等 HASH 算法也有对应的汇编优化;

为了满足金融场景的安全合规,我们同时也对国产密码进行了开发支持,这个是 Go Runtime 所没有的。虽然目前的性能相比国际标准 AES-GCM 还是有一些差距,大概是 50%,但是我们已经有了后续的一些优化计划,敬请期待。

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07

平滑升级能力

为了让 SOFAMosn 的发布对应用无感知,我们调研开发了平滑升级方案,类似 Nginx 的二进制热升级能力,但是有个最大的区别就是 SOFAMosn 老进程的连接不会断,而是迁移给新的进程,包括底层的 socket FD 和上层的应用数据,保证整个二进制发布过程中业务不受损,对业务无感知。除了支持 SOFARPC、Dubbo、消息等协议,我们还支持 TLS 加密链路的迁移。

容器升级

基于容器平滑升级 SOFAMosn 给了我们很多挑战,我们会先注入一个新的 SOFAMosn,然后他会通过共享卷的 UnixSocket 去检查是否存在老的 SOFAMosn,如果存在就和老的 SOFAMosn 进行连接迁移,然后老的 SOFAMosn 退出。这一块的细节较多,涉及 SOFAMosn 自身和 Operator 的交互。

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SOFAMosn 的连接迁移

连接迁移的核心主要是内核 Socket 的迁移和应用数据的迁移,连接不断,对用户无感知。

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SOFAMosn 的 metric 迁移

我们使用了共享内存来共享新老进程的 metric 数据,保证在迁移的过程中 metric 数据也是正确的。

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08

内存复用机制

  • 基于 sync.Pool;

  • slice 复用使用 slab 细粒度,提高复用率;

  • 常用结构体复用;

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线上复用率可以达到90%以上,当然 sync.Pool 并不是银弹,也有自己的一些问题,但是随着 Runtime 对 sync.Pool 的持续优化,比如 go1.13 就使用 lock-free 结构减少锁竞争和增加了 victim cache 机制,以后会越来越完善。

09

XDS(UDPA)

支持云原生统一数据面 API,全动态配置更新。

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前期准备

01

性能压测和优化

在上线前的准备过程中,我们在灰度环境针对核心收银台应用进行了大量的压测和优化,为后面的落地打下了坚实的基础。

从线下环境到灰度环境,我们遇到了很多线下没有的大规模场景,比如单实例数万后端节点,数千路由规则,不仅占用内存,对路由匹配效率也有很大影响,比如海量高频的服务发布注册也对性能和稳定性有很大挑战。

整个压测优化过程历时五个月,从最初的 CPU 整体增加20%,RT 每跳增加 0.8ms, 到最后 CPU 整体增加 6%,RT 每跳增加了 0.2ms,内存占用峰值优化为之前的 1⁄10 。

  • 部分优化措施

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在 618 大促时,我们上线了部分核心链路应用,CPU 损耗最多增加 1.7%,有些应用由于逻辑从 Java 迁移到 Go,CPU 损耗还降低了,有 8% 左右。延迟方面平均每跳增加 0.17ms,两个合并部署系统全链路增加 5~6ms,有 7% 左右的损耗。

在后面单机房上线 SOFAMosn,在全链路压测下,SOFAMosn 的整体性能表现更好,比如交易付款带 SOFAMosn 比不带 SOFAMosn 的 RT 还降低了 7.5%。

SOFAMosn 做的大量核心优化和 Route Cache 等业务逻辑优化的下沉,更快带来了架构的红利。

02

Go 版本选择

版本的升级都需要做一系列测试,新版本并不是都最适合你的场景。我们项目最开始使用的 Go 1.9.2,在经过一年迭代之后,我们开始调研当时 Go 的最新版 1.12.6,我们测试验证了新版很多好的优化,也修改了内存回收的默认策略,更好的满足我们的项目需求。

  • GC 优化,减少长尾请求

新版的自我抢占(self-preempt)机制,将耗时较长 GC 标记过程打散,来换取更为平滑的GC表现,减少对业务的延迟影响。

https://go-review.googlesource.com/c/go/+/68574/ https://go-review.googlesource.com/c/go/+/68573/

Go 1.9.2 通过双十一大考!基于 Golang 的 SOFAMosn 深度剖析_第17张图片

Go 1.12.6 通过双十一大考!基于 Golang 的 SOFAMosn 深度剖析_第18张图片

  • 内存回收策略

在 Go1.12,修改了内存回收策略,从默认的 MADV_DONTNEED 修改为了 MADV_FREE,虽然是一个性能优化,但是在实际使用中,通过测试并没有大的性能提升,但是却占用了更多的内存,对监控和问题判断有很大的干扰,我们通过 GODEBUG=madvdontneed=1 恢复为之前的策略,然后在 issue 里面也有相关讨论,后续版本可能也会改动这个值。

runtime: use MADV_FREE on Linux if available

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使用 Go1.12 默认的 MADV_FREE 策略 ,Inuse 43M, 但是 Idle 却有 600M,一直不能释放。

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03

Go Runtime Bug 修复

在前期灰度验证时,SOFAMosn 线上出现了较严重的内存泄露,一天泄露了1G 内存,最终排查是 Go Runtime 的 Writev 实现存在缺陷,导致 slice 的内存地址被底层引用,GC 不能释放。

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我们给 Go 官方提交了 Bugfix,已合入 Go 1.13最新版。 internal/poll: avoid memory leak in Writev

落地实践

01

CPU 资源分配

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最开始不是做1:1,而是4:1,这个设置导致一个问题:在CPU使用率 20%、30% 的时候没有问题,但当你的CPU到了 70%、80% 的时候问题就出来了,当你70%、80%的时候,STW能达到 20ms,整个世界暂停了,这个完全不能忍受。为什么能达到20ms?是因为之前CPU权重调的太低了,在这个时间段 Mosn 达不到 CPU 配额,导致整个响应就很严重。最后强制性把 APP 和 Mosn 调成1:1的 CPU 配额,可以看这个点,在调的时候响应时间从 0.5 直接降到 0.1,这个值也是通过持续压测,持续观察压测出来的,最后确定了一个1:1占比做这个事。在一般小场景下不会出现的。

02

mem 资源分配

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内存开始是固定分配的,最开始 Mosn 内存固定为 512M 或者 是1个 G,恰恰这样会出现一些问题。比如说有些应用只用 200M,那你设的 300M 就浪费了;有些应用 1.5个G那就更完蛋。所以说最好的方式,包括运维我们一起做了很多测试和验证,比如说使用超卖,超卖意思是说整个 Pod 是 8G 内存,APP 可以看到 8G 内存,但是 Mosn 只能看到 2个G。这样就保证第一内存不会浪费,我用 200M 剩下的 APP 也可以看到,也可以用。如果我用多了也没有问题,用多了之后不会挂掉,因为是共享的。看这个图明显知道在峰值来的时候冲高,但是慢慢会回落。这样保证系统的稳定性,没办法避免有时候一些突发流量的突增,如果你固定一个 500M,平时只有 200M,可能一个突增就挂掉了。这又引到另外一个问题它真正 OOM 的时候怎么办?如果真的 OOM了,一般内存占的比较大,Java 动不动占 5、6个G,这种情况下我们调整了 OOM 的权重,在内存高的时候先杀 Mosn,因为 Mosn 启动很快几秒钟就起来了,但是 Java 可能5分钟也起不来,不是说 Java 不好的意思,因为它有业务逻辑,有很多的加载,流程比较长。

03

GOMAXPROCS

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下一个是P的调整,之前我们没有遇到,这是一个请求延迟,这是 Mack 导致请求延迟很严重的问题,你在标记的时候就导致标记时段太长,请求会被延后处理,导致线上经常有超时的问题。有些核心应用,那种基础组件应用,连接数很多,可能有五六万个,对象数很大、很多。在这种大应用的话,每次 GC 全 GC,每次扫几百毫秒。这种场景下也没有太好的办法,我们就增加了 P 的个数。

这些都是我们压测时发现,做修改进行实时调整,效果还是挺明显的。超时量减少到之前的1%,当然不是说 P 越大就越好,P 多之后上下文切换多,STW 的时候必须要把 P 暂停,P 多了之后,导致 STW 增加,还是要经过线上权衡压测,过多过少都有一些影响。

04

gotrace 导致请求卡顿

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这也是一个比较坑的问题,因为我们要看GC,喜欢把GC放在文件里面没事时看一看。说一下背景,因为蚂蚁有一批很慢的机器,它的硬盘很差。当时机房出现了很严重的卡顿现象,最后把它堆加到文件里面进行操作。

可以看一下这个代码,gotrace如果它卡住了就完蛋了,执行不到这儿来。在写卡顿的时候,你的提升日志却是正常的,为什么?因为打的时候你计数已经计过了,所以打出的日志还是很完美很短的,可能有同学会说 IO 卡多久?下一张图,可以卡 500ms 很正常的,这是一个例子,导致你的系统在 IO 很差的时候导致很大的卡顿。

05

独立协程打印日志就不影响业务?

    

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我相信大家的日志协程都是独立的,我当时也这样想,我都异步了,还能影响我吗?虽然不会影响你的主协程,但它会影响调度。

这就是一个 Write resumed,这个时间 0.5s。Write0.5s 用了 500ms 的 IO 操作,这个图也很清楚说明两次唤醒 500ms,它先被卡住,写完之后再唤醒你。关键点是这个东西,这个卡了16ms,意思是说这个写卡顿之后过了16ms才把我清走。sysmon 肯定是有一些延时的,因为它也是多久执行一次,比如说10ms执行一次,所以这个间隔就不会把你迁走。

还有 retake 它最大也有 10ms 的延迟,不会把你干掉。在各种场景综合情况下就会产生图上的现象,这个协程卡了 16ms,16ms 内就不能做操作了,这就导致了你认为一个异步协程对于写日志不会影响主流程,但真真切切对你的调度产生影响。在P上,可能刚来的就受到影响,卡了几毫秒。我们线下测起来卡顿影响很大,虽然不会影响请求主流程,但是你把 write resumed 卡住,不调度你的 work 协程也是没用的。所以 Go 的调度感觉还有很多的改进,建议 IOB 请求可以增加一些个数。跟 Nginx 这些做法都是类似的,对 IOB 请求基本都可以写 work。

IO 密集型,我们尽量写 Work,适当增加 P 个数。还有 Log 独立进程,落地协程让它变成一个进程跑。我的 Mosn 就用 Pipe 非阻塞发,当然还有第三个方案换一块好的硬盘。

总结与展望

  • 验证要符合线上规模场景

  • 切合实际,不要过度优化

  • GOMAXPROCS 的个人需要根据业务场景压测权衡

  • 让 GO 调度支持优先级,比如让 Log 协程降低优先级

  • Go 的分代 GC 将会减少大对象数场景下的请求延迟

ROADMAP

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Q & A

提问:我想请问一下APP和应用,拦截APP请求的时候通过什么拦截?平滑升级的时候是怎样聚焦落地请求上下文的?

田阳:迁移的话,有点太细节。我一个请求读了一半,会把一半的请求传给新的 Mosn ,新的 Mosn 初始化传八份,让它接着读就OK,相当于读8份数据。我们现在没有做拦截,因为透明劫持。我们的做法是改端口,后面是透明劫持的方案。第一步主要是落地数据,控制面今年和明年优化,控制面也有很多的挑战。

提问:内存泄露的排查过程?

田阳:基本人工,当然也可以使用工具。我刚开始把自己的代码理了无数轮,看自己的代码为什么泄露?最后没有抱一点希望,结果就是因为没有抱一点希望发现就有问题。有时候自己的态度不要完全相信官方是OK的。

重磅活动预告

Gopher Meetup 上海站即将开启。来自蚂蚁金服&携程、趣头条、讯联数据、TutorABC的大咖讲师将带来 Go 开发领域的一线实践经验分享,尽在12月14日,微软加速器!

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