云原生网络代理 MOSN 平滑升级原理解析 | 开源

MOSN 是一款使用 Go 语言开发的网络代理软件,作为云原生的网络数据平面,旨在为服务提供多协议,模块化,智能化,安全的代理能力。MOSN 是 Modular Open Smart Network-proxy 的简称,可以与任何支持 xDS API 的 Service Mesh 集成,亦可以作为独立的四、七层负载均衡,API Gateway,云原生 Ingress 等使用。

MOSN:https://github.com/mosn/mosn

Service Mesh 中 Sidecar 运维一直是一个比较棘手的问题,数据平面的 Sidecar 升级是常有的事情,如何在升级 Sidecar(MOSN)的时候而不影响业务,对于存量的长连接如何迁移,本文将为你介绍 MOSN 的解决之道。

背景

本文介绍 MOSN 支持平滑升级的原因和解决方案,对于平滑升级的一些基础概念,大家可以通过 Nginx vs Enovy vs Mosn 平滑升级原理解析了解。

Nginx vs Enovy vs Mosn 平滑升级原理解析》:

https://www.sofastack.tech/projects/sofa-mosn/concept/nginx-envoy-mosn-hot-upgrade/

先简单介绍一下为什么 Nginx 和 Envoy 不需要具备 MOSN 这样的连接无损迁移方案,主要还是跟业务场景相关,Nginx 和 Envoy 主要支持的是 HTTP1 和 HTTP2 协议,HTTP1使用 connection: Close,HTTP2 使用 Goaway Frame 都可以让 Client 端主动断链接,然后新建链接到新的 New process,但是针对 Dubbo、SOFA PRC 等常见的多路复用协议,它们是没有控制帧,Old process 的链接如果断了就会影响请求的。

一般的升级做法就是切走应用的流量,比如自己下线服务,等待一段时间没有请求之后,升级MOSN,升级好之后再上线服务,整个过程比较耗时,并且会有一段时间是不提供服务的,还要考虑应用的水位,在大规模场景下,就很难兼顾评估。MOSN 为了满足自身业务场景,开发了长连接迁移方案,把这条链接迁移到 New process 上,整个过程对 Client 透明,不需要重新建链接,达到请求无损的平滑升级。

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正常流程

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  • Client 发送请求 Request 到 MOSN;

  • MOSN 转发请求 Request 到 Server;

  • Server 回复响应 Response 到 MOSN;

  • MOSN 回复响应 Response 到 Client;

上图简单介绍了一个请求的正常流程,我们后面需要迁移的是 TCP1 链接,也就是 Client 到 MOSN 的连接,MOSN 到 Server 的链接 TCP2 不需要迁移,因为 MOSN 访问 Server 是根据 LoadBalance 选择,我们可以主动控制断链建链。

平滑升级流程

触发条件

有两个方式可以触发平滑升级流程:

  • MOSN 对 SIGHUP 做了监听,发送 SIGHUP 信号给 MOSN 进程,通过 ForkExec 生成一个新的 MOSN 进程;

  • 直接重新启动一个新 MOSN 进程;

为什么提供两种方式?最开始我们支持的是方法1,也就是 nginx 和 Envoy 使用的方式,这个在虚拟机或者容器内替换 MOSN 二级制来升级是可行的,但是我们的场景需要满足容器间的升级,所以需要新拉起一个容器,就需要重新启动一个新的 MOSN 进程来做平滑升级,所以后续又支持了方法2。容器间升级还需要 operator 的支持,本文不展开叙述。

交互流程

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首先,老的 MOSN 在启动最后阶段会启动一个协程运行 ReconfigureHandler() 函数监听一个 Domain Socket(reconfig.sock), 该接口的作用是让新的 MOSN 来感知是否存在老的 MOSN。

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触发平滑升级流程的两种方式最终都是启动一个新的 MOSN 进程,然后调用 GetInheritListeners(),通过 isReconfigure() 函数来判断本机是否存在一个老的 MOSN(就是判断是否存在 reconfig.sock 监听),如果存在一个老的 MOSN,就进入迁移流程,反之就是正常的启动流程。

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如果进入迁移流程,新的 MOSN 将监听一个新的 Domain Socket( listen.sock),用于老的 MOSN 传递 listen FD 到新的 MOSN。FD 的传递使用了sendMsg 和 recvMsg。在收到 listen FD 之后,调用 net.FileListener() 函数生产一个 Listener。此时,新老 MOSN 都同时拥有了相同的 Listen 套接字。

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这里的迁移和 Nginx 还是有一些区别,Nginx 是 fork 的方式,子进程自动就继承了 listen FD,MOSN 是新启动的进程,不存在父子关系,所以需要通过 sendMsg 的方式来传递。

在进入迁移流程和 Listen 的迁移过程中,一共使用了两个 Domain Socket:

  • reconfig.sock 是 Old MOSN 监听,用于 New MOSN 来判断是否存在;

  • listen.sock 是 New MOSN 监听,用于 Old MOSN 传递 listen FD;

两个 sock 其实是可以复用的,也可以用reconfig.sock进行 listen 的传递,由于一些历史原因搞了两个,后续可以优化为一个,让代码更精简易读。

这儿再看看 Old MOSN 的处理,在收到 New MOSN 的通知之后,将进入 reconfigure(false) 流程,首先就是调用sendInheritListeners()传递 listen FD,原因上面内容已经描述,最后调用 WaitConnectionsDone() 进入存量长链接的迁移流程。

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在 Listen FD 迁移之后,New MOSN 通过配置启动,然后在最后启动一个协程运行 TransferServer(),将监听一个新的 DomainSocket(conn.sock),用于后续接收 Old MOSN 的长连接迁移。迁移的函数是 transferHandler()。

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Old MOSN 将通过transferRead() 和 transferWrite()进入最后的长链接迁移流程,下面主要分析这块内容。

长连接迁移流程

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首先先粗略看一下新请求的迁移流程:

  • Client 发送请求到 MOSN;

  • MOSN 通过 domain  socket(conn.sock) 把 TCP1 的 FD 和连接的状态数据发送给 New MOSN;

  • New  MOSN 接受 FD 和请求数据创建新的 Conection 结构,然后把 Connection id 传给 MOSN,New MOSN 此时就拥有了 TCP1 的一个拷贝;

  • New  MOSN 通过 LB 选取一个新的 Server,建立 TCP3 连接,转发请求到 Server;

  • Server 回复响应到 New MOSN;

  • New MOSN 通过 MOSN 传递来的 TCP1 的拷贝,回复响应到 Client;

之前的 WaitConnectionsDone() 函数中,s.stopChan 已经关闭,在链接的 ReadLoop 中,将设置一个[TransferTimeout,2*TransferTimeout]的随机时间进入迁移流程,随机数主要是为了打散每个 Client 的 TCP 连接迁移时机,让迁移更平滑。

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在等待一个随机时间之后, c.tranfer() 将进入迁移流程, c.notifyTransfer() 的作用是暂停 write 操作,在迁移 read 操作的时候,不能有 write 操作,因为两个进程 MOSN 同时都做 write,会导致数据错乱。

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然后进入的是 transferRead(),这个函数的作用就是把连接的 FD 和状态数据通过 conn.sock传递给 New MOSN,跟之前迁移 Listen FD 时方式一样,NEW MOSN 在成功处理之后会返回一个 ID,这个 ID 是 NEW MOSN 新建立的 Connection ID,这个 ID 后面会用到。

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我们构造了一个简单的读迁移协议, 主要包括了 TCP 原始数据长度,TLS 数据长度,TCP 原始数据,TLS 数据。

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现在看下 New MOSN 收到迁移请求之后的处理,它会针对每个迁移请求会启动一个协程运行 transferHandler() 函数, 函数会根据读取的协议判断是读迁移还是写迁移,我们这儿先介绍读迁移,New MOSN 会调用 transferNewConn 把 Old MOSN 传递过来的 FD 和数据包重新生成一个新的 Connection 结构体,并把生成的新的 connection ID 传递给 Old MOSN。

此后,New MOSN 将从该 TCP 连接读取数据,开始正常的业务请求流程。

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此后,Old MOSN 不再读取该 TCP1 连接上的数据,全部由 New MOSN 来读取 TCP1 上的数据并处理,对于新的请求,整个迁移过程就已经完成。

残留响应迁移流程

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大家想想为什么还有残留响应的迁移流程?因为多路复用协议,在之前读连接迁移流程的时候,TCP2 上还有之前残留的响应需要回复给Client,如果同时 MOSN 和 New MOSN 都进行 Write 操作 TCP1,数据可能会乱序,所以需要让New MOSN来统一处理之前 TCP2 上残留的响应。

  • Server 回复残留的响应到 MOSN;

  • MOSN 把之前从 New MOSN 获取的 Connection id 和响应数据,通过 domain socket(conn.sock) 传递给 New MOSN;

  • New MOSN 通过 id 查询 TCP1 连接,回复响应到 Client;

transferRead() 之后,就进入了 transferWrite() 阶段,该阶段会把需要 write 的数据包和之前 New MOSN 传回来的 Connection ID 一并传给 New MOSN。

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我们构造了一个简单的写迁移协议, 主要包括了TCP原始数据长度, connection ID,TCP原始数据。

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在New MOSN的transferHandler()函数中,会判断出写迁移协议,然后 transferFindConnection() 函数通过 connection ID 找到 TCP1 连接,然后直接把数据写入即可。

这儿需要说明一点,新请求Request的转发已经使用了 TCP3,TCP2 上只会有之前请求的 Response 响应,如果在整个迁移期间 2 * TransferTimeout 都没有回复响应,那么这个请求将会超时失败。

连接状态数据

在连接迁移时,除了TCP FD的迁移,还有连接状态的迁移,这样New MOSN才知道怎样去初始化这个新的连接。

主要有如下几个状态:

读缓存

表示在迁移时,已经从 TCP 读取的数据,还没有被应用层处理的数据。

写数据

在迁移之后,MOSN 收到的响应数据。

TLS状态迁移

如果是 TLS 加密请求,需要迁移 TLS 的状态,有如下状态需要迁移:

  • 加密秘钥;

  • Seq序列;

  • 读缓存数据(加密和未加密);

  • cipher类型;

  • TLS版本;

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总结

长连接的 FD 迁移是比较常规的操作,sendMsg 和 connection repair 都可以。

在整个过程中最麻烦的是应用层数据的迁移,一般想法就是把应用层的数据结构等都迁移到新的进程,比如已经读取的协议 HEAD 等结构体,但这就导致你的迁移过程会很复杂,每个协议都需要单独处理。

MOSN 的方案是把迁移放到了 IO 层,不关心应用层具体是什么协议,我们迁移最原始的 TCP 数据包,然后让 New MOSN 来 codec 这个数据包来拼装 HEAD 等结构体,这个过程是标准的处理流程了,这样就保证迁移对整个协议解析是透明的,只要这个协议是无状态的,这个迁移框架就可以自动支持。

最后的残留响应迁移流程可能不太好理解,为什么不等所有响应完成之后才开始迁移,就不需要这个流程了?是因为在多路复用协议场景下,请求一直在发送,你不能总是找到一个时间点所有响应都完成了。

反馈

关于该问题的讨论请见 Github Issue:

MOSN smooth upgrade problem #866:

https://github.com/mosn/mosn/issues/866

本文作者

田阳,花名烈元, 蚂蚁金服技术专家,专注于高性能网络服务器研发。Tengine 项目团队成员,MOSN 开源项目成员。

本文归档在 sofastack.tech。

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