淺談過載保護(hù)

淺談過載保護(hù)

雪球：對(duì)于時(shí)延敏感的服務(wù)，當(dāng)外部請(qǐng)求超過系統(tǒng)處理能力，如果系統(tǒng)沒有做相應(yīng)保護(hù)，可能導(dǎo)致歷史累計(jì)的超時(shí)請(qǐng)求達(dá)到一定規(guī)模，像雪球一樣形成惡性循環(huán)。由于系統(tǒng)處理的每個(gè)請(qǐng)求都因?yàn)槌瑫r(shí)而無效，系統(tǒng)對(duì)外呈現(xiàn)的服務(wù)能力為0，且這種情況下不能自動(dòng)恢復(fù)。

作者bison，騰訊后臺(tái)開發(fā)技術(shù)總監(jiān)。

　　過載保護(hù)，看似簡(jiǎn)單，但是要做好并不容易。這里用兩個(gè)曾經(jīng)經(jīng)歷的反面案例，給出過載保護(hù)的直觀展現(xiàn)，并附上一點(diǎn)感想。

案例一基本情況

　　如下圖，進(jìn)程A是一個(gè)單進(jìn)程系統(tǒng)，通過udp套接字接收前端請(qǐng)求進(jìn)行處理。在處理過程中，需要訪問后端系統(tǒng)B，是同步的方式訪問后端系統(tǒng)B，根據(jù)后端系統(tǒng)B的SLA，超時(shí)時(shí)間設(shè)置是100ms。前端用戶請(qǐng)求的超時(shí)時(shí)間是1s。

　　進(jìn)程A的時(shí)序是：

Step1: 從socket接收緩沖區(qū)接收用戶請(qǐng)求

Step2: 進(jìn)行本地邏輯處理

Step3: 發(fā)送請(qǐng)求到后端系統(tǒng)B

Step4: 等待后端系統(tǒng)B返回

Step5: 接收后端系統(tǒng)B的應(yīng)答

Step6: 應(yīng)答前端用戶，回到step1處理下一個(gè)請(qǐng)求

正常情況下的負(fù)載

　　正常情況下：

1、前端請(qǐng)求報(bào)文大小約100Bytes。前端請(qǐng)求的峰值每分鐘1800次，即峰值每秒30次。

2、后端系統(tǒng)B并行能力較高，每秒可以處理10000次以上，絕大多數(shù)請(qǐng)求處理時(shí)延在20ms內(nèi)。

3、進(jìn)程A在處理請(qǐng)求的時(shí)候，主要時(shí)延是在等待后端系統(tǒng)B，其他本地運(yùn)算耗時(shí)非常少，小于1ms

　　這個(gè)時(shí)候，我們可以看出，系統(tǒng)工作良好，因?yàn)樘幚頃r(shí)延在20ms內(nèi)，每秒進(jìn)程A每秒中可以處理50個(gè)請(qǐng)求，足以將用戶每秒峰值30個(gè)請(qǐng)求及時(shí)處理完。

導(dǎo)火索

　　某天，后端系統(tǒng)B進(jìn)行了新特性發(fā)布，由于內(nèi)部邏輯變復(fù)雜，導(dǎo)致每個(gè)請(qǐng)求處理時(shí)延從20ms延長(zhǎng)至50ms，根據(jù)sla的100ms超時(shí)時(shí)間，這個(gè)時(shí)延仍然在正常范圍內(nèi)。當(dāng)用戶請(qǐng)求達(dá)到峰值時(shí)間點(diǎn)時(shí)，災(zāi)難出現(xiàn)了，用戶每次操作都是“服務(wù)器超時(shí)無響應(yīng)”，整個(gè)服務(wù)不可用。

過載分析

　　當(dāng)后端系統(tǒng)B處理時(shí)延延長(zhǎng)至50ms的時(shí)候，進(jìn)程A每秒只能處理20個(gè)請(qǐng)求（1s / 50ms = 20 ）。小于正常情況下的用戶請(qǐng)求峰值30次/s。這個(gè)時(shí)候操作失敗的用戶往往會(huì)重試，我們觀察到前端用戶請(qǐng)求增加了6倍以上，達(dá)到200次/s，是進(jìn)程A最大處理能力（20次/s）的10倍！

　　 這個(gè)時(shí)候?yàn)槭裁此杏脩舭l(fā)現(xiàn)操作都是失敗的呢？ 為什么不是1/10的用戶發(fā)現(xiàn)操作能成功呢？ 因?yàn)檎?qǐng)求量和處理能力之間巨大的差異使得5.6s內(nèi)就迅速填滿了socket接收緩沖區(qū)（平均能緩存1000個(gè)請(qǐng)求，1000/(200-20)=5.6s），并且該緩沖區(qū)將一直保持滿的狀態(tài)。這意味著，一個(gè)請(qǐng)求被追加到緩沖區(qū)里后，要等待50s（緩存1000個(gè)請(qǐng)求，每秒處理20個(gè)，需要50s）后才能被進(jìn)程A 取出來處理，這個(gè)時(shí)候用戶早就看到操作超時(shí)了。換句話說，進(jìn)程A每次處理的請(qǐng)求，都已經(jīng)是50s以前產(chǎn)生的，進(jìn)程A一直在做無用功。雪球產(chǎn)生了。

案例二基本情況

　　前端系統(tǒng)C通過udp訪問后端serverD，后端server D的udp套接字緩沖區(qū)為4MB，每個(gè)請(qǐng)求大小約400字節(jié)。后端serverD偶爾處理超時(shí)情況下，前端系統(tǒng)C會(huì)重試，最多重試2次。

正常情況下的負(fù)載

　　正常情況，后端serverD單機(jī)收到請(qǐng)求峰值為300次/s，后端serverD單機(jī)處理能力是每秒1500次，時(shí)延10ms左右。這個(gè)時(shí)候工作正常。

導(dǎo)火索

　　由于產(chǎn)品特性（例如提前通知大量用戶，未來某某時(shí)刻將進(jìn)行一項(xiàng)秒殺活動(dòng)；類似奧運(yùn)門票，大量用戶提前得知信息：某日開始發(fā)售門票），大量的用戶聚集在同一時(shí)刻發(fā)起了大量請(qǐng)求，超出了后臺(tái)serverD的最大負(fù)載能力。操作響應(yīng)失敗的用戶又重試， 中間系統(tǒng)的重試，進(jìn)一步帶來了更大量的請(qǐng)求(正常情況下的9倍)。導(dǎo)致所有用戶操作都是失敗的。

過載分析

　　只是導(dǎo)火索不一樣，同案例一，巨大的請(qǐng)求和處理能力之間的鴻溝，導(dǎo)致后端serverD的4M大小的接收緩沖區(qū)迅速填滿（4秒就填滿），且過載時(shí)間內(nèi)，接收緩沖區(qū)一直都是滿的。而處理完緩沖區(qū)內(nèi)的請(qǐng)求，ServerD需要6秒以上（4MB / 400 / 1500 = 6.7S）。所以serverD處理的請(qǐng)求都是6s之前放入緩沖區(qū)的，而該請(qǐng)求在最前端早已經(jīng)超時(shí)。雪球形成了。

啟示

1、  每個(gè)系統(tǒng)，自己的最大處理能力是多少要做到清清楚楚。例如案例一中的前端進(jìn)程A，他的最大處理能力不是50次/s，也不是20次/S，而是10次/S。因?yàn)樗菃芜M(jìn)程同步的訪問后端B， 且訪問后端B的超時(shí)時(shí)間是100ms，所以他的處理能力就是1S/100ms=10次/S。而平時(shí)處理能力表現(xiàn)為50次/S，只是運(yùn)氣好。

2、  每個(gè)系統(tǒng)要做好自我保護(hù)，量力而為，而不是盡力而為。對(duì)于超出自己處理能力范圍的請(qǐng)求，要勇于拒絕。

3、  每個(gè)系統(tǒng)要有能力發(fā)現(xiàn)哪些是有效的請(qǐng)求，哪些是無效的請(qǐng)求。上面兩個(gè)案例中，過載的系統(tǒng)都不具備這中慧眼，逮著請(qǐng)求做死的處理，雪球時(shí)其實(shí)是做無用功。

4、  前端系統(tǒng)有保護(hù)后端系統(tǒng)的義務(wù)，sla中承諾多大的能力，就只給到后端多大的壓力。這就要求每一個(gè)前后端接口的地方，都有明確的負(fù)載約定，一環(huán)扣一環(huán)。

5、  當(dāng)過載發(fā)生時(shí)，該拒絕的請(qǐng)求（1、超出整個(gè)系統(tǒng)處理能力范圍的；2、已經(jīng)超時(shí)的無效請(qǐng)求）越早拒絕越好。就像上海機(jī)場(chǎng)到市區(qū)的高速上，剛出機(jī)場(chǎng)就有電子公示牌顯示，進(jìn)入市區(qū)某某路段擁堵，請(qǐng)繞行。

6、  對(duì)于用戶的重試行為，要適當(dāng)?shù)难泳彙＠绲卿洶l(fā)現(xiàn)后端響應(yīng)失敗，再重新展現(xiàn)登錄頁(yè)面前，可以適當(dāng)延時(shí)幾秒鐘，并展現(xiàn)進(jìn)度條等友好界面。當(dāng)多次重試還失敗的情況下，要安撫用戶。

7、  產(chǎn)品特性設(shè)計(jì)和發(fā)布上，要盡量避免某個(gè)時(shí)刻導(dǎo)致大量用戶集體觸發(fā)某些請(qǐng)求的設(shè)計(jì)。發(fā)布的時(shí)候注意灰度。

8、  中間層server對(duì)后端發(fā)送請(qǐng)求，重試機(jī)制要慎用，一定要用的話要有嚴(yán)格頻率控制。

9、  當(dāng)雪球發(fā)生了，直接清空雪球隊(duì)列（例如重啟進(jìn)程可以清空socket 緩沖區(qū)）可能是快速恢復(fù)的有效方法。

10、過載保護(hù)很重要的一點(diǎn)，不是說要加強(qiáng)系統(tǒng)性能、容量，成功應(yīng)答所有請(qǐng)求，而是保證在高壓下，系統(tǒng)的服務(wù)能力不要陡降到0，而是頑強(qiáng)的對(duì)外展現(xiàn)最大有效處理能力。

　　對(duì)于“每個(gè)系統(tǒng)要有能力發(fā)現(xiàn)哪些是有效的請(qǐng)求，哪些是雪球無效的請(qǐng)求”，這里推薦一種方案：在該系統(tǒng)每個(gè)機(jī)器上新增一個(gè)進(jìn)程：interface進(jìn)程。Interface進(jìn)程能夠快速的從socket緩沖區(qū)中取得請(qǐng)求，打上當(dāng)前時(shí)間戳，壓入channel。業(yè)務(wù)處理進(jìn)程從channel中獲取請(qǐng)求和該請(qǐng)求的時(shí)間戳，如果發(fā)現(xiàn)時(shí)間戳早于當(dāng)前時(shí)間減去超時(shí)時(shí)間（即已經(jīng)超時(shí)，處理也沒有意義），就直接丟棄該請(qǐng)求，或者應(yīng)答一個(gè)失敗報(bào)文。

　　Channel是一個(gè)先進(jìn)先出的通信方式，可以是socket，也可以是共享內(nèi)存、消息隊(duì)列、或者管道，不限。

　　Socket緩沖區(qū)要設(shè)置合理，如果過大，導(dǎo)致及時(shí)interface進(jìn)程都需要處理長(zhǎng)時(shí)間才能清空該隊(duì)列，就不合適了。建議的大小上限是：緩存住超時(shí)時(shí)間內(nèi)interface進(jìn)程能夠處理掉的請(qǐng)求個(gè)數(shù)（注意考慮網(wǎng)絡(luò)通訊中的元數(shù)據(jù)）。

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