Cloud Foundry中基于Master/Slave机制的Service Gateway——解决Service Gateway单点故障问题

Cloud Foundry作为业界最出色的PaaS平台之一，给广大的互联网开发者和消费者提供出色的体验。自Cloud Foundry开源以来，有关Cloud Foundry的研究越来越多，这也很好的支持着Cloud Foundry的生态系统。但是作为一个平台，Cloud Foundry仍然会存在一些可靠性，扩展性方面的不足，这也吸引着众多的Cloud Foundry爱好者对其进行更多更深入的研究。

本文主要讲述Cloud Foundry中Service Gateway的运行机制，Service Gateway存在的单点故障问题，以及解决单点问题的Master/Slave Service Gateway机制。

1. Service Gateway运行机制

关于Cloud Foundry中Service Gateway的介绍，可以参考我之前的博文：Cloud Foundry Service Gateway 源码分析。

介绍该组件运行机制的时候，我希望使用Service Gateway的最常用的功能provision a service 和 bind a service 来简要阐述，虽然不能代表所有的功能，但是这两个功能可以让我们对Service Gateway运行机制了解个大概。

1.1 Service Gateway的启动

以上提及的博文中已经介绍得很多，关于启动，需要强调的是fetch_handles的功能，即Service Gateway向Cloud Controller请求获得service instance的信息，并存储在内存中，后面会讲到在provision a service 的时候会用到该内存中的信息；还有send_heartbeat的功能，即Service Gateway向Cloud Controller发送心跳信息，证明自己的存活状态（另外Cloud Controller也会通过这个心跳信息来存储该类型Service Gateway）。

1.2 provision a service

provision a service 的流程很简单明了，主要实现创建一个服务实例，无非是Cloud Controller接收用户请求，使用HTTP方式发送给Service Gateway，Service Gateway接收并处理请求后通过NATS向Service Node发送provision请求，Service Node接收到请求到provision完毕后，通过NATS将结果返回给Service Gateway，Service Gateway将结果备份一份以后，通过HTTP方式返回给Cloud Controller，最后Cloud Controller收到结果信息，将其持久化至数据库，并对用户做回应。这里需要注意的是：首先，关于provision出来的service instance的信息最终会被持久化到Cloud Controller的postgres数据库中；然后，关于这些信息，Service Gateway会备份一份（存储在内存中）。这两点在后文中会显得尤为重要。

1.3 bind a service

bind a service 主要是实现为一个应用绑定一个服务实例。流程与通信方式和provision a service 大同小异，不同的是，在Service Gateway在接收到Cloud Controller的时候，会从自己关于service的备份信息中找出来相应的service instance，然后给该instance发送请求。

2. Service Gateway的单点故障问题

在Cloud Foundry中，同种类型service的Service Gateway只有一个，因此在运行过程中，肯定会出现单点故障问题。一旦Service Gateway所在节点宕机，那么该Service Gateway变得不可用，所以关于该service的provision和bind等众多请求都将得不到响应。需要注意的是，对于已经成功bind服务的应用来讲，是不受影响的，因为app可以直接通过URL访问Service Node，而不用经过Service Gateway。

由于目前的Cloud Foundry缺乏对于组件的状态监控机制，所以Cloud Foundry对于Service Gateway的宕机不会采取任何措施，因此Cloud Foundry的管理员也不会被告知Service Gateway的故障，从而导致该类型service的不可用。当Cloud Foundry的用户感受到该类型service不可用，并且向管理员反馈时，管理员才会去后台去查看Service Gateway的状态，发现状态为关闭状态，从而进行人为的启动。在这一漫长的过程中，该类型的service均处于不可用状态，大大影响Cloud Foundry的可用性。

在这样的情况下，最理想的解决方案自然可以使得Cloud Foundry中关于某种类型的service可以具有多个Service Gateway ，如此一来，在一个Service Gateway宕机的时候，还可以有其他的Service Gateway继续工作。通过以上的假设，在实际过程中，我曾经尝试过两种方案：Master/Slave Gateway 以及Multi Gateways。以下是两个方案的简述：

1. Master/Salve Gateway： 该方案在执行过程中，只有一个Service Gateway接收到Cloud Controller的请求，并做处理；只有当一个Service Gateway宕机的时候，Cloud Controller才会将请求发给另一个请求。看到这里，肯定会有一些问题：那就是Cloud Controller如何获知Gateway是否宕机的信息，另外Cloud Controller如何决策将请求发送给哪个gateway，还有一个Service Gateway已经provision完一个服务后宕机，则关于该服务的bind请求会发送至另一个Service Gateway，而这个Service Gateway不具有这个服务的任何信息，从而导致请求不能被执行。本文主要讲述这种方案的设计与实现。
2. Multi Gateways： multi 就是多个，另外有一种多个之间地位平等的概念，也就是说在Cloud Controller在接收到请求之后，分发给所有的该类型service的Service Gateway，从而使得当一个Service Gateway宕机之后，而其他的所有gateway仍能正常工作。当然，该方案也会存在难点：除了上一种方案中的部分困难之外，还有：由于请求为多个，一个Service Node接收到多个Service Gateway的请求后，该如何决策该请求是否执行过等。

3. 基于Master/Slave模式的Service Gateway

关于Master/Slave模式的Service Gateway框架如下图：

3.1 两个Service Gateway的注册问题

由于该方案中有两个同种类型的Service Gateway与Cloud Controller相连，则必须要解决的问题是：如何让Cloud Controller认识这两个Service Gateway。在这里，我们可以回忆在原先的Cloud Foundry中，Cloud Controller如何认识或者存储一个Service Gateway：Cloud Controller接收Service Gateway的heartbeat信息的同时，在自己的postgres数据库中存储该Service Gateway的信息，也相当于完成Service Gateway的注册。

解决方案：

启动同种类型service的两个Service Gateway，他们分别向Cloud Controller发送heartbeat，由Cloud Controller接收这些请求，并决策哪一个是Master，哪一个是Slave ，从而存入数据库。

具体实现：

Cloud Controller的软件框架是基于Rails编写的，关于postgres数据库的数据表都有一个model（MVC模式中的M），而修改数据表的模式则必须修改这个model文件，由于之前的模式会验证service类型的唯一性，现在则必须将/cloudfoundry/cloud_controller/cloud_controller/app/models/service.rb中的验证代码validates_uniqueness_of :label 给注释掉，这样就有了向数据库中添加相同类型service的可能性。另外我们还需要在该模式中加入一个属性MasterOrSlave，这样可以使得Cloud Controller决策Master/Slave后，将带有Master/Slave标记的service记录存入postgres数据库。

以上操作只是从理论上，允许在数据库中出现两个相同label的service记录，关于最终往数据库中存两条记录还是需要Cloud Controller的controller来实现（MVC中的C）。在具体程序运行中，service_controller.rb文件中的create方法会接收来自Service Gateway的heartbeat信息，并做相应的注册。为了实现Master/Slave模式，我们需要改进该方法，加入决策机制，实现Master/Slave的注册。下图是决策机制：

3.2 Cloud Controller决策使用Service Gateway的问题

解决了以上的注册问题，Cloud Foundry还需要解决Cloud Controller如何选择Service Gateway的问题。

解决方案：

Cloud Controller关于某一label的service 请求，首先找到该label的Master Service Gateway，如果该Service Gateway的active属性为TRUE，则表示该Service Gateway存活状态为存活，可以接收请求；若active属性为FALSE，则表示该Service Gateway存活状态为不存活，则找到该label的Slave Service Gateway，若Slave Service Gateway的active属性为TRUE，则表示Slave Service Gateway可以接收请求，否则该类型的Master Slave Service Gateway都不可用，请求不会执行，用户被告知Service Gateway不可用。决策流程如下图：

3.3 Master/Slave Service Gateway之间服务信息的同步问题

在Cloud Foundry中Service Gateway的运行机制中，已经介绍了provision和bind的功能，在这两个过程中，都涉及了一个内存空间（具体代码为@prov_svcs），这个内存空间用来存放这个service类型的service信息。Service Gateway启动的时候会通过fetch_handles方法获取全部的信息，另外在每次经过这个Service Gateway的provision和bind等请求时，会有相应的信息更新。

那如果使用Master/Slave Service Gateway机制的话，为什么要考虑两个Service Gateway之间@prov_svcs的同步信息呢？关于这个问题，可以推测：要保证Master/Slave Service Gateway的高可用性，那么在一个Service Gateway宕机的时候，另一个Service Gateway仍然可以工作，并接管之后的请求。但是，如果一个请求通过Master Service Gateway 成功provision 一个服务实例后，Master Service Gateway宕机了，那么关于这个服务实例的bind请求，肯定会通过Slave Service Gateway来完成，然而Slave Service Gateway不具有这个服务实例的任何信息，故bind失败。毫无疑问，Master/Slave Service Gateway机制必须解决服务信息的同步问题，也就是在一个Service Gateway完成某一个请求，更新@prov_svcs后，必须将相同的更新告知另一个Service Gateway，完成信息的同步。

解决方案：

从Service Gateway的请求流程来看，关于service instance的信息在@prov_svcs中更新后，都会存储到Cloud Controller的postgres数据库中。为了做到Master/Slave Service Gateway的服务信息同步，最有效的方法就是一有信息被更新到Cloud Controller的postgres数据库中，就马上把这个更新信息发送给另一个Service Gateway。为了简单起见，本文采取的同步方式是：Service Gateway以一个可以人为设定的频率向Cloud Controller发送获取服务信息的请求。这样的话，从一定程度上说，可以保证两个Service Gateway服务信息的同步。

具体实现:

在上文的Service Gateway启动的时候，已经讲述过，Service Gateway会使用fetch_handles方法来获取服务信息，具体代码见asynchronous_service_gateway.rb：

　　update_callback = Proc.new do |resp|
      @provisioner.update_handles(resp.handles)
      @handle_fetched = true
      event_machine.cancel_timer(@fetch_handle_timer)

      # TODO remove it when we finish the migration
      current_version = @version_aliases && @version_aliases[:current]
      if current_version
        @provisioner.update_version_info(current_version)
      else
        @logger.info("No current version alias is supplied, skip update version in CCDB.")
      end
    end

    @fetch_handle_timer = event_machine.add_periodic_timer(@handle_fetch_interval) { fetch_handles(&update_callback) }
    event_machine.next_tick { fetch_handles(&update_callback) }

从代码中可以看到Service Gateway是首先是通过一个周期性的timer向Cloud Controller发送获取请求，当收到Cloud Controller的响应之后，取消了这个timer。在Master/Slave Service Gateway 中为了不断地发送fetch_handles请求，只需要将代码event_machine.cancel_timer(@fetch_handle_timer)注释掉即可。这样的话，Service Gateway就会以周期@handle_fetch_interval发送fetch_handles请求。只要Cloud Controller关于service的信息有变动，Service Gateway就会在@handle_fetch_interval时间内获知。在此基础上，修改以上代码只是实现周期性发送请求，而Service Gateway在接受周期性响应后，还需要在处理的时候作出相应的修改，具体代码在provision.rb中，可以每次执行的时候都将@prov_svcs置空，然后再将所有的服务信息放入hash对象@prov_svcs。

关于该问题的解决，以上只是阐述了Service Gateway需要作的改动，这包括Service Gateway发送请求和接受请求，但是只有这些还是不够的，对于通信的Server端，Cloud Controller也需要作一定的修改，主要是如何根据Service Gateway的请求，读取postgres数据库中所有的服务信息。代码地址主要为cloudfoundry/cloud_controller/cloud_controller/app/controllers/service_controller.rb的list_handles方法。由于Cloud Controller都是通过Service Gateway的URL信息去寻找数据库中数据表service_bindings和service_configs的关于该Service Gateway的所有service instance，而现在是Master/Slave Service Gateway机制，需要将两个Service Gateway的服务信息全部信息找出，并返回给Service Gateway。比如：service instance A是由 Master Service Gateway来provision或者bind的，那么在service_configs或者service_bindings中是属于Master Service Gateway的，因此Slave Service Gateway在获取handles的时候，也需要将Master Service Gateway取出，并返回给Slave Service Gateway。其中的具体实现可以参考Rails中的model，在这里service_binding blongs_to :service_config，service_config belongs _to :service。

3.4 unprovison, bind和unbind等请求的部分修改

关于这部分的修改，以unprovision请求为例：

Cloud Controller在收到用户关于某service instance的unprovision后，首先会从service_configs数据表中找出这个service instance，然后再取出Service Gateway的URL信息，并向这个URL发送unprovision请求。但是如果现在这个Service Gateway已经宕机的话，之前的机制将不能响应这个请求。如果要在Master/Slave Service Gateway机制中解决这个问题，只需要在每次执行unprovision请求的时候，不是去找service instance的Service Gateway信息，而是去寻找当前正在工作的Service Gateway 来完成unprovision工作。

关于bind和unbind操作，也是如此，在Cloud Controller向Service Gateway发送请求的时候，不是通过service instance来寻找Service Gateway，而是通过当前存活的Service Gateway来寻找。

4. 评价

以上关于Master/Slave Service Gateway设计与实现，已经阐述完毕，现在可以在评价这个机制。

首先从可用性入手，该机制很好的解决了之前Cloud Foundry中Service Gateway的单点故障问题，一旦Cloud Foundry中的一个Service Gateway宕机的话，该机制下，Cloud Foundry仍然可以使用另一个Service Gateway来完成工作。当然，当两个Service Gateway都宕机的情况下，该机制也不能正常保证Service的工作，但是在两个Service Gateway相同环境下，出现这种情况的概率要远远低于只有一个Service Gateway的时候。

Master/Slave Service Gateway机制最重要的部分主要是如何实现service信息的同步问题，本设计主要是通过周期性的发送获取请求，来实现最终的同步。但是周期性的请求，其实不能严谨的保证consistency。如果关于一个service instance的porvision和bind操作在一个周期内需要完成，而在两个请求之间的某个时刻，Master Service Gateway宕机的话，Slave Service Gateway也不可用。当这个周期非常粗粒度的时候，这样的问题是不能容忍的，但是如果这个周期比较细粒度的话，问题能得到非常好的缓解，这样的情况几乎可以忽略不计。但是当周期性的请求粒度很细的话，势必会造成Cloud Controller的通信的拥挤，这也是一个在请求很多，系统很大的时候不得不考虑的问题。

5. 总结

本文主要旨在解决原先Cloud Foundry中关于Service Gateway的单点故障问题。在简要介绍Service Gateway的运行流程后，讲述了Service Gateway可能存在的单点故障问题，并对于该问题提出了两种解决方案。随后，本文大篇幅介绍了其中一个解决方案Master/Slave Service Gateway机制，主要包括该方案的具体解决的问题和具体实现。最后，对于该机制进行了简要的评价，主要着眼于可用性与对系统的性能影响。

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