Higress × OpenKruiseGame 游戏网关最佳实践

作者：赵伟基、力铭、澄潭

OpenKruiseGame（下文简称：OKG）是一个面向多云的开源游戏服 Kubernetes 工作负载，是 CNCF 工作负载开源项目 OpenKruise 在游戏领域的子项目，其提供了热更新、原地升级、定向管理等常用的游戏服管理功能。而游戏作为典型的流量密集型场景，在吞吐量、延迟性能、弹性与安全性等方面对入口网关提出了很高的要求。

Higress 是基于阿里内部两年多的 Envoy 网关实践沉淀，以开源 Istio 与 Envoy 为核心构建的下一代云原生网关。Higress 实现了安全防护网关、流量网关、微服务网关三层网关合一，可以显著降低网关的部署和运维成本。Higress 可以作为 K8s 集群的 Ingress 入口网关，并且兼容了大量 K8s Nginx Ingress 的注解，可以从 K8s Nginx Ingress 快速平滑迁移到 Higress。同时也支持 K8s Gateway API 标准，支持用户从 Ingress API 平滑迁移到 Gateway API。

本文将演示 Higress 如何无缝对接 OKG 游戏服，并为其带来的优秀特性。

Higress 无缝接入 OKG

前置步骤：

1. 安装 OpenKruiseGame [ 1] 。

2. 安装 Higress [ 2] 。

OKG 提供诸多游戏服热更新和游戏服伸缩的优秀特性，便于游戏运维人员管理游戏服的全生命周期。游戏不同于无状态类型的服务，玩家战斗的网络流量是不允许被负载均衡的，因此每一个游戏服需要独立的访问地址。

使用原生工作负载（如 Deployment 或 StatefulSet）时，运维工程师需要为众多游戏服一一配置接入层网络，这无疑阻碍了开服效率，同时手动配置也无形中增加了故障的概率。OKG 提供的 GameServerSet 工作负载可以自动化地管理游戏服的接入网络，大幅度降低运维工程师的负担。

对于 TCP/UDP 网络游戏，OKG 提供了诸如 HostPort、SLB、NATGW 等网络模型；而对于 H5/WebSocket 类型的网络游戏，OKG 也相应提供了 Ingress 网络模型，如 Higress、Nginx、ALB 等。

本文采用了一款开源游戏 Posio 来构建 demo 游戏服。下述配置中，IngressClassName=“higress” 指定了 Higress 作为游戏服的网络层，Higress 通过下面配置可以无缝接入 Posio 游戏服，并且可以基于 Annotation 实现 Higress 定义的高阶流量治理等功能。示例 Yaml 如下所示，GameServerSet 生成的游戏服对应的访问域名与游戏服 ID 相关。

在此例中，游戏服 0 的访问域名为 game0.postio.example.com，游戏服 1 的访问域名为 game1.postio.example.com. 客户端以此来访问不同的游戏服。

piVersion: game.kruise.io/v1alpha1
kind: GameServerSet
metadata:
  name: postio
  namespace: default
spec:
  replicas: 1
  updateStrategy:
    rollingUpdate:
      podUpdatePolicy: InPlaceIfPossible
  network:
    networkType: Kubernetes-Ingress
    networkConf:
    - name: IngressClassName
      value: "higress"
    - name: Port
      value: "5000"
    - name: Path
      value: /
    - name: PathType
      value: Prefix
    - name: Host
      value: game.postio.example.com
  gameServerTemplate:
    spec:
      containers:
        - image: registry.cn-beijing.aliyuncs.com/chrisliu95/posio:8-24
          name: postio

OKG 水平伸缩 [ 3] 提供自动扩容、根据游戏服的 OpsState 缩容、根据 DeletionPriority 缩容、根据游戏服序号缩容等功能来支持游戏运维的业务需求。水平伸缩的特性在给游戏开发者带来便利的同时，也对入口网关提出了更高的要求：入口网关必须具备配置热更新的能力，完成路由配置的平滑下发。

原因在于： 在进行游戏服的扩容时，OKG 会同步创建 Ingress 等相关网络相关资源，以此来保障游戏服的自动上线。如果入口网关不具备配置热更新的能力，在扩容时就，线上玩家就会遇到连接断开等问题，影响游玩体验。

Nginx reload 无法优雅热更新

在游戏服出现扩容，或者定义的路由策略发生变更时，Nginx 的配置变更会触发 reload，导致上下游的连接都断开并触发重连。

我们以 Posio 游戏服为例，模拟 Nginx+OKG 在游戏服扩容时出现的问题。Posio 服务端依赖于 Socket 连接与客户端通信。游戏服扩容时，触发对应的 Ingress 资源创建，此时 Nginx-ingress-controller 监听到 Ingress 资源变更，触发自身 reload 机制，此时原来与游戏服建立的连接（如本例中的 Socket 连接会被断开）。在正在游戏的玩家侧的体感便是出现了异常卡顿。

为了直观的展示 Nginx Ingress reload 带来的影响，我们对 Nginx 默认配置参数进行一些更改：

kubectl edit configmap nginx-configuration -n kube-system
data:
  ...
  worker-shutdown-timeout: 30s # 一个很难做权衡的配置

Nginx 配置参数中 worker-shutdown-timeout 是 Nginx 的 worker 进程优雅下线的超时配置，worker 进程会先停止接收新的连接，并等待老的连接逐渐关闭，达到超时时间后，才会去强制关闭当前的所有连接，完成进程退出。

此参数配置过小，会导致大量活跃连接瞬间断开；而此参数配置过大时，又会导致 websocket 长连接始终维持住 Nginx 进程，当发生频繁 reload 时会产生大量 shutting down 状态的 worker 进程，老 worker 占有的内存迟迟得不到释放，可能会导致 OOM 引发线上故障：

实际游玩的测试过程如下：客户端访问游戏服，进行正常游玩。在此过程中通过 OKG 能力触发游戏服扩容，查看此时客户端的响应。通过网页开发者工具可以看到，出现了两条 Socket 连接，一条是原先浏览器访问游戏服建立，另一条是由于 Nginx 断连后重连产生的 Socket 连接。

原有连接收到的最后一个包时间戳是 15:10:26。

而新建连接到获取第一个正常游戏包的时间是 15:10:37，网页与游戏服的断连大概持续 5s 左右。

除了玩家的游玩体验受影响，这个机制也会给业务整体稳定性埋雷。在高并发场景下，因为连接瞬断，导致大批量客户端的并发重连，会导致 Nginx 的 CPU 瞬间飙升；而后端游戏服务器需要处理更多业务逻辑，一般比网关的资源需求更高，因此 Nginx 透传过来的大量并发重连，也更容易打垮后端，造成业务雪崩。

Higress 如何实现优雅热更新

Higress 支持采用 K8s Ingress 暴露游戏服外部 IP 端口，供玩家连接访问。当游戏服伸缩或者定义的路由配置发生变化时，Higress 支持路由配置的热更新，以此保障玩家连接的稳定性。

Higress 基于 Envoy 的精确配置变更管理，做到了真正的配置动态热更新。在  Envoy 中 downstream 对应 listener 配置，交由 LDS 实现配置发现；upstream 对应 cluster 配置，交由 CDS 实现配置发现。listener 配置更新重建，只会导致 downstream 连接断开，不会影响 upstream 的连接；downstream 和 upstream 的配置可以独立变更，互不影响。再进一步，listener 下的证书(cert)，过滤器插件(filter)，路由(router)均可以实现配置独立变更，这样不论是证书/插件/路由配置变更都不再会引起 downstream 连接断开。

精确的配置变更机制，除了让 Envoy 可以实现真正的热更新，也让 Envoy 的架构变的更可靠，Envoy 配置管理从设计之初就是为数据面(DP)和控制面(CP)分离而设计的，因此使用 gRPC 实现远程配置动态拉取，并借助 proto 来规范配置字段，并保持版本兼容。这个设计实现了数据面和控制面的安全域隔离，增强了架构的安全性。

使用 OKG 接入 Higress 后，下面依然模拟客户端访问游戏服，进行正常游玩。在此过程中通过 OKG 能力触发游戏服扩容，查看此时客户端的响应。通过网页开发者工具可以看到，在此过程中客户端与游戏服建立的连接稳定不受影响。

此外，在大规模游戏服场景下，每个游戏服对应一个独立的 Ingress，会产生大量的 Ingress 资源，我们测试在达到 1k 级别规模时，Nginx Ingress 要新扩一个游戏服需要分钟级生效，而 Higress 可以在秒级生效。Nginx Ingress 的这一问题也被 Sealos 踩坑，并最终通过切换到 Higress 解决，有兴趣可以阅读这篇文章了解：《云原生网关哪家强：Sealos 网关血泪史》

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相关链接：

[1] OpenKruiseGame

https://openkruise.io/zh/kruisegame/installation/

[2] Higress

https://higress.io/zh-cn/docs/user/quickstart/

[3] OKG 水平伸缩

https://openkruise.io/zh/kruisegame/user-manuals/gameservers-scale/