基于云原生網(wǎng)關(guān)的流量防護(hù)實(shí)踐

涂鴉 阿里云云原生 2023-08-17 18:31 發(fā)表于浙江

背景

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(相關(guān)資料圖)

在分布式系統(tǒng)架構(gòu)中，每個(gè)請(qǐng)求都會(huì)經(jīng)過(guò)很多層處理，比如從入口網(wǎng)關(guān)再到 Web Server 再到服務(wù)之間的調(diào)用，再到服務(wù)訪問(wèn)緩存或 DB 等存儲(chǔ)。在下圖流量防護(hù)體系中，我們通常遵循流量漏斗原則進(jìn)行流量防護(hù)。在流量鏈路的每一層，我們都需要進(jìn)行針對(duì)性的流量防護(hù)與容錯(cuò)手段，來(lái)保障服務(wù)的穩(wěn)定性；同時(shí)，我們要盡可能地將流量防護(hù)進(jìn)行前置，比如將一部分 HTTP 請(qǐng)求的流量控制前置到網(wǎng)關(guān)層，提前將一部分流量進(jìn)行控制，這樣可以避免多余的流量打到后端，對(duì)后端造成壓力同時(shí)也造成資源的浪費(fèi)，為此，在網(wǎng)關(guān)側(cè)做流量防護(hù)是十分有必要的。

在傳統(tǒng)的流量網(wǎng)關(guān)場(chǎng)景下，對(duì)流量進(jìn)行訪問(wèn)控制是一個(gè)很常見(jiàn)的需求。比如在 nginx 中，limit_req 就是一個(gè)最為常見(jiàn)的限流配置，而在 Envoy 中，也支持本地以及全局兩種模式的限流，但是二者均有其局限性。在功能的豐富度上，二者不及常見(jiàn)的限流組件開(kāi)源項(xiàng)目，如 Sentinel 、Hystrix 等，在實(shí)際的使用場(chǎng)景中，實(shí)用性也很弱，比如不支持無(wú)性能損耗的集群限流等等。

云原生網(wǎng)關(guān)的流量防護(hù)功能，底層使用了 Sentinel 內(nèi)核，并做了一定的強(qiáng)化和改造。Sentinel 是以流量與容錯(cuò)為切入點(diǎn)，從流量控制、不穩(wěn)定調(diào)用隔離、熔斷降級(jí)、熱點(diǎn)流量防護(hù)、系統(tǒng)自適應(yīng)保護(hù)、集群流控等多個(gè)維度來(lái)幫助保障服務(wù)和網(wǎng)關(guān)的穩(wěn)定性，同時(shí)提供秒級(jí)的流量監(jiān)控分析功能。其商業(yè)化產(chǎn)品不僅在阿里內(nèi)部淘寶、天貓等電商領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，在互聯(lián)網(wǎng)金融、在線教育、游戲、直播行業(yè)和其他大型政央企行業(yè)也有著大量的實(shí)踐。

云原生網(wǎng)關(guān)作為集安全、流量、微服務(wù)三位于一體的下一代云上網(wǎng)關(guān)，在誕生之初，就被賦予了全場(chǎng)景使用的一個(gè)定位，為此流量防護(hù)也是其必備的一個(gè)能力，在流量防護(hù)能力上，具備以下優(yōu)勢(shì)：

具備與流行的流量防護(hù)項(xiàng)目如 Sentinel、Hystrix 等同等豐富的流量防護(hù)功能，并且還在不斷迭代更新中。 天然支持均攤式的集群流控，使得用戶無(wú)需關(guān)心網(wǎng)關(guān)以及 Upstream 服務(wù)的節(jié)點(diǎn)數(shù)。 提供配套的秒級(jí)監(jiān)控，并支持 QPS、拒絕 QPS 、異常 QPS 、RT 以及并發(fā)數(shù)等豐富的流量指標(biāo)，同時(shí)支持歷史數(shù)據(jù)的查看，便捷地實(shí)現(xiàn)先觀測(cè)，再配防護(hù)規(guī)則的使用路徑。 流量防護(hù)規(guī)則秒級(jí)生效，配置防護(hù)規(guī)則后，無(wú)需等待，秒級(jí)生效。

Sentinel 流量模型介紹

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如下圖所示，流量防護(hù)是指，針對(duì)不同的流量，設(shè)置一道適合的屏障策略，在該屏障的觀測(cè)下，一旦判定該流量不能被通過(guò)，應(yīng)該及時(shí)攔截，從而達(dá)到保護(hù)網(wǎng)關(guān)、以及后端 Upstream 服務(wù)的作用。

云原生網(wǎng)關(guān)目前支持 QPS 限流、并發(fā)控制、熔斷三種不同的流量防護(hù)能力， 本文將從這三個(gè)功能分別去闡述其具體的效果，以及適用的場(chǎng)景。

QPS 限流 這是流量防護(hù)最通用的一個(gè)場(chǎng)景，顧名思義，就是限制某個(gè)路由的流量，使其只能在一定的速率內(nèi)訪問(wèn)網(wǎng)關(guān)，防止某個(gè)路由流量激增，造成后端服務(wù)的崩潰。云原生網(wǎng)關(guān)不僅支持路由級(jí)別的限流，而且天然支持均攤式的集群流控，用戶無(wú)需關(guān)心網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量或者后端服務(wù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，只需要配置一個(gè)總體的閾值，就可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)路由的總體閾值限流。 并發(fā)控制 并發(fā)控制的具體實(shí)現(xiàn)，是通過(guò)實(shí)時(shí)維護(hù)一個(gè)并發(fā)值（這個(gè)值指的是一秒內(nèi)，該路由流量的最大并行值，即未完成的請(qǐng)求數(shù)量），一旦下一個(gè)請(qǐng)求超過(guò)了設(shè)定的閾值，就攔截該請(qǐng)求。該功能不同于 QPS 限流，即使是在 QPS 較低的場(chǎng)景下，也能保證關(guān)鍵的資源，不被持續(xù)累積的慢調(diào)用所占用，而導(dǎo)致服務(wù)不可用，比如后端 Upstream 服務(wù)的線程池以及數(shù)據(jù)庫(kù)資源等等，假設(shè)長(zhǎng)期被占用，就會(huì)導(dǎo)致該 Upstream 服務(wù)出現(xiàn)異常。和 QPS 限流類(lèi)似，云原生網(wǎng)關(guān)天然支持均攤式集群并發(fā)限流，只需配置一個(gè)總體的并發(fā)閾值，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)路由的總體并發(fā)控制。 熔斷 在 Sentinel 、Hystrix 等限流項(xiàng)目中，都能見(jiàn)到該功能，就如字面上的意義，熔斷是指，在路由的流量出現(xiàn)了某個(gè)異常狀態(tài)，需要及時(shí)熔斷該流量，從而保證與該路由相關(guān) Upstream 服務(wù)能夠高效穩(wěn)定的運(yùn)行，而不受某個(gè)異常路由流量的影響。

熔斷機(jī)制背后對(duì)應(yīng)熔斷器模型 (Circuit Breaker)。當(dāng)調(diào)用處于某種不穩(wěn)態(tài)（通常是出現(xiàn)異?；蚵{(diào)用）達(dá)到一定程度（通常關(guān)注比例而不是絕對(duì)量），熔斷開(kāi)啟 (OPEN)，所有的請(qǐng)求都會(huì) fallback 掉；過(guò)一段時(shí)間后進(jìn)入探測(cè)恢復(fù)階段 (HALF-OPEN)，放過(guò)一定數(shù)量的請(qǐng)求，以這些請(qǐng)求的情況來(lái) indicate 下游服務(wù)的恢復(fù)情況，若這些請(qǐng)求達(dá)到穩(wěn)態(tài)，則恢復(fù)對(duì)應(yīng)調(diào)用 (CLOSED)；否則重回熔斷狀態(tài)，具體原理如下圖所示：

另外，云原生網(wǎng)關(guān)的流量防護(hù)能力底層是基于 Sentinel 的毫秒級(jí)滑動(dòng)窗口精確統(tǒng)計(jì)，為此，云原生網(wǎng)關(guān)的流量防護(hù)功能界面也配套了一個(gè)秒級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)，可以通過(guò) 觀測(cè)=>發(fā)現(xiàn)問(wèn)題=>創(chuàng)建防護(hù)規(guī)則 這個(gè)使用路徑去更好地在云原生網(wǎng)關(guān)上創(chuàng)建流量防護(hù)規(guī)則。

如何在云原生網(wǎng)關(guān)上進(jìn)行流量防護(hù)

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QPS 限流

下面，我們將動(dòng)手去實(shí)踐，在云原生網(wǎng)關(guān)上去使用上述的三大流量防護(hù)功能。

首先，進(jìn)入到云原生網(wǎng)關(guān)實(shí)例中的路由配置界面，選擇“策略配置”里的“限流”選項(xiàng)，手動(dòng)給這個(gè)路由注入一個(gè) QPS 10000 左右的流量，在配套的秒級(jí)監(jiān)控可以看到 5 分鐘內(nèi)該路由的 QPS 情況。

在秒級(jí)監(jiān)控的下方，可以看到流控規(guī)則、并發(fā)規(guī)則，熔斷規(guī)則三個(gè)配置項(xiàng)，首先先配置一條限流規(guī)則，具體參數(shù)如下圖所示：

打開(kāi)開(kāi)啟開(kāi)關(guān)并點(diǎn)擊保存按鈕，就順利加入了一個(gè) QPS 限流策略，這個(gè)策略的含義是，當(dāng)路由流量的總 QPS 達(dá)到 5000 的時(shí)候，統(tǒng)計(jì)窗口內(nèi)下一個(gè)到來(lái)的流量會(huì)被拒絕，拒絕的行為是，返回一個(gè)HTTP包，返回碼是 429 ，內(nèi)容是一個(gè) JSON 格式的文本，內(nèi)容是：

{  "context": "just for test"}

此時(shí)再返回查看秒級(jí)監(jiān)控，就可以看到如下的曲線圖：

并發(fā)控制

并發(fā)規(guī)則也是類(lèi)似，只不過(guò)，控制值由 QPS 變成并發(fā)數(shù)，具體的參考配置參數(shù)如下：

返回查看秒級(jí)監(jiān)控，既可以看到以下的結(jié)果：

熔斷

熔斷規(guī)則的配置較為復(fù)雜，具體的含義可以查看配置界面的說(shuō)明，具體的參考配置如下：

這個(gè)規(guī)則的具體含義是，在 20 秒的統(tǒng)計(jì)窗口內(nèi)，從第 5 個(gè)請(qǐng)求之后，開(kāi)始統(tǒng)計(jì)慢調(diào)用的比例，一旦比例超過(guò) 20% ，立馬熔斷該路由的流量，其中慢調(diào)用的定義為 RT 超過(guò) 1 ms 的請(qǐng)求。配置完成之后，監(jiān)控的表現(xiàn)如下圖的所示：

上述的例子只是為了演示效果，在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中，需要更為謹(jǐn)慎的去定義慢調(diào)用比例以及熔斷時(shí)長(zhǎng)等參數(shù)，否則可能會(huì)導(dǎo)致后端服務(wù)整體不可用，是一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)較高的流量防護(hù)功能。除了慢調(diào)用比例之外，還支持異常比例的熔斷條件判斷，異常的定義是指 HTTP 調(diào)用發(fā)生 5XX 的情況。

總結(jié)

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本文詳盡地介紹了如何在云原生網(wǎng)關(guān)上做流量防護(hù)，包括在不同的場(chǎng)景下該配置何種防護(hù)規(guī)則，并給出了詳細(xì)的使用路徑，可以從中體驗(yàn)出云原生網(wǎng)關(guān)的流量防護(hù)功能相對(duì)于其它網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品限流功能的優(yōu)勢(shì)。作為云上網(wǎng)關(guān)的核心功能之一，后續(xù)我們也會(huì)持續(xù)強(qiáng)化流量防護(hù)功能，也歡迎大家持續(xù)關(guān)注阿里云官網(wǎng)的 MSE 微服務(wù)引擎產(chǎn)品動(dòng)態(tài)。

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