聊聊服务间的网络通信 - TCP 与 HTTP

前端

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前言

阅读前你可能需要了解这些：

  • 了解 TCP/IP、OSI 模型
  • 了解 HTTP 协议
  • 了解 Node.js

从几个问题入手：

  • 服务间调用的长连接如何设置
  • 服务器上 TCP 连接数限制
  • 服务器上 TCP 连接数对业务的影响

服务间的长连接

假设我们的目标服务，存在服务的消费者和提供者，服务之间存在上下游依赖关系：

我们期望服务间的连接是长连接，即 TCP 连接只建立一次，无需每次请求调用都发起 3 次握手、4 次挥手，以提升网络 IO 吞吐量。但是事实跟期望可能有所出入。

假设微服务间通信使用的应用层协议是 HTTP 1.1，单个 TCP 连接同时只能发出单个 HTTP 请求。即当同一时间请求并发数为 n ，会存在 n 个 TCP 连接，并且会存在 3 * n + 4 * n 次握手挥手动作，甚至可能会触发 sockets 连接数用满。

长连接示例

我们通过一个示例，感受并发调用场景下，TCP 建连的过程。

以下为代码启动一个 HTTP server 作为上图中的 Provider Service：

  • 建立 TCP 连接时，打印 new connection 日志
  • 收到 HTTP 请求时，返回 ok 作为 response body，并打印 request 日志
const http = require('http');

var server = http.createServer(function (req, res) {
  res.end('ok');
  console.log('request');
});

server.on('connection', function (socket) {
  console.log('new connection');
});

server.listen(3000);

以下代码为客户端代码作为 Target Server（由于我们想要测试长连接，双方交互的服务一定是长期存活的，所以这里我们启动一个服务，而不是直接写个 client.js 做测试）：

  • 服务端口监听在 3001
  • 当收到 /batch 请求时，并发调用 Provider Service 10 次
const http = require('http');

var server = http.createServer(async function (req, res) {
  if (req.url === '/batch') {
    await Promise.all(Array(10).fill(1).map(request));
  }
  res.end('ok');
});

server.listen(3001);

async function request() {
  return new Promise((resolve) => {
    http
      .request('http://127.0.0.1:3000', (res) => {
        res.on('data', resolve);
      })
      .end();
  });
}

以 curl 作为客户端（或者作为 Consumer Service）

$ curl http://127.0.0.1:3001/batch

Provider Service 输出如下日志：

整理下完整的调用链为：curl -> Target Service -> Provider Service。

可见 10 次 HTTP 并发调用产生了 10 次 TCP 连接，符合预期，因为 HTTP 1.1 并发调用一定会产生相对应数量的 TCP 连接。

再次 curl ，Target Service 与 Provider Service 之间继续新建 10 条 TCP 连接，原因也很简单，之前的 TCP 连接都是用完即销毁的。

假设我们想要第二次并发的 10 次请求，继续复用之前的 10 个 TCP 连接就需要做如下处理，代码变更如下：

连续手动操作进行 3 次 curl 调用：

对输出做一下分析：

  • 首次 curl 调用，建立 10 次 TCP 连接，符合预期
  • 二次 curl 调用，复用原有的 TCP 连接，符合预期
  • 三次 curl 调用，又建连了 10 次 TCP 连接，不符合预期

大家可能对第三次调用结果比较疑惑，这里直接放下结论：因为 TCP 连接只存活 5s ，超时后，自动断连了。

Wireshark 网络分析

为了对如上的调用做解释，我们需要一个工具去查看 TCP、HTTP 的完整过程，这里我们用到一个工具： Wireshark。

Wireshark 是一个强大的网络分析工具，它工作于 OSI 网络模型的 Data Link Layer 层，即数据链路层，所以可以分析 Data Link Layer以上的所有层数据，包括本次分析的 TCP、HTTP 过程。

Wireshark 相对于一些其他常用的网络分析工具，例如 Fiddler、Charles、Whistle 等工具，其有如下优势：

  • 实现机制更底层，所以能捕获 Data Link Layer上层的数据，而其他代理工具只能看应用层数据，顶多再看个传输层数据
  • 由于更底层，所以无需配置应用的代理配置（部分应用可能不走默认系统代理，需要手动配置，例如你启动的 Node.js 服务）

话不多数，关于 Wireshark 的使用，有兴趣直接看官网文档吧： https://www.wireshark.org/docs/wsug_html_chunked/

对单条请求做分析

为了减少干扰，我们仅发出一条请求 Target Server -> Provider Service。

关于图例说明下：

  • 绿底的输入框，由于网卡比较活跃，减少干扰过滤出 Provider Service 3000 端口号的网络交互
  • 图中我们可以很直观的看到熟悉的三次握手、HTTP 请求、四次挥手
  • Keep Alive Check：我们还发现每隔 1s Target Service 于 Provider Service 都会进行一次双向交互，这是为了：

对图例的细节进行分析：

  • 存在四次挥手，而且是在大概 5s 后，这个我们从 HTTP response 中得到验证

对 curl 三次结果做分析

从上述单个请求分析中，我们基本可以论证 curl手动触发第三次不符合预期的原因，重复说明一下原因：因为 TCP 连接只存在 5s ，超时后，自动断连了。

我们再次重复 3 次手动 curl：

  1. 触发第一次
  2. 1s 后触发第二次
  3. 8s 后触发第三次（此时之前的 TCP 长连接已断连，需要重新连接）

具体操作如下，到这一步已经非常清晰了：

如何操作长连接

回到问题，这里列一些解法：

如何配置长连接，以及超时时长

  • 对于客户端，上述 Demo 已经很明确了，Node.js 上直接设置 http agent 即可。
  • 对于服务端，可以调整 keepalive timeout 增长 TCP 连接的时长，可以设置 Server.keepAliveTimeout属性，但是也要注意其可能频繁 TCP Keep-Alive Check，需要做好取舍，多次测试找到合适的阈值

Demo 里 10 次批量的请求，在 TCP 连接还没销毁前，二次并发调用时会重用，那么这个最大重用限制多少？

与客户端配置 Agent.maxFreeSockets相关：

  • 默认 256，即连接池的最大默认空闲容量，当下次请求来时会优先复用
  • 当超过时，客户端在 http 结束时会立即发起断连

并发数过大时，TCP 连接数会建很多么，是否有限制？

与客户端配置 Agent.maxSockets和 Agent.maxTotalSockets相关：

  • 前者限制单 host、后者针对所有 host
  • Agent.maxSockets Node 0.12 以上就是不限制了
  • 设置此值的效果为：超出的数量的 HTTP 请求不会发出，直到 TCP 空闲
  • 例如设置为 1，则所有请求都会是串行的效果，TCP 连接也仅仅存在一个
  • 具体示例如下图，No.23 为第二个请求，在 No.19 第一个请求完全结束后才发出

TCP 连接数限制

通过 {Source IP, Source Port, Destination IP, Destination Port} 四元组确定唯一的 TCP 连接。

对于服务提供方：只需要一个暴露一个端口给客户端，即可接收无限数量的 TCP 连接，在不考虑内存的前提下，客户端的 IP, Port 只要不同即可。

对于客户端：连接数量限制在 2^16 - 1 内，即 65535 个端口，去掉 0 这个特殊端口。

客户端存在限制的核心原因：TCP 规范的要求。

  • 端口号只能是 16 bits 内，如果超出可能会导致对方服务无法解析或解析错误
  • 以上为 Wireshark 的示例，整个 TCP header 都是固定顺序与固定格式的

作为客户端 65535 个数量是否够用

个人电脑当然够用的，假设每个程序 100 个 TCP 连接，同时运行 100 个程序，也才 10000 个罢了。

微服务中的一台服务：也是够用的

  • 假设你的服务都是短连接，每次客户端请求过来都要转发给相对应数量的上游其他服务，并且假设每个请求你都需要处理 5s
  • 那么 5s 你能接受的最大单机请求数是 6w+ 个，基本单个服务是达不到这个数量的。除非你接收一个请求，分散出 10+ 的请求。况且存在这么高的并发时，内存和 CPU 可能更先刚不住，而不需要先担心 TCP 的数量是否够用

HTTP 1.1 与 2

相比之下，HTTP 2 带来了如下特性：

  • 二进制，而不是文本
  • 完全多路复用，而不是有序和阻塞，故可以使用一个连接进行并行
  • 使用 Header 压缩来减少开销
  • 允许服务器主动将响应“推送”到客户端缓存中

具体参考：https://http2.github.io/faq/

那么，我们是不是可以把服务间的通信协议升级到 HTTP 2 来解决并发流量导致的重复 TCP 建连开销？

立即开干，以下是 Provider Server：

const http2 = require('http2');
const fs = require('fs');

const server = http2.createSecureServer(
  {
    key: fs.readFileSync('localhost-privkey.pem'),
    cert: fs.readFileSync('localhost-cert.pem'),
  },
  function (req, res) {
    res.end('ok');
    console.log('request');
  },
);

server.on('connection', function (socket) {
  console.log('new connection');
});

server.listen(3000);

我们创建了一个基于 TLS 的 HTTP 2，说明下为啥不使用 HTTP2 over TCP（即不加密的 HTTP 2）：

  • 浏览器等客户端无法识别
  • Wireshark 无法识别（重点，不方便看明细）

以下是 Target Server。

const http2 = require('http2');
const http = require('http');

var server = http.createServer(async function (req, res) {
  if (req.url === '/batch') {
    await Promise.all(Array(10).fill(1).map(request));
  }
  res.end('ok');
});

server.listen(3001);

const client = http2.connect('https://localhost:3000');
async function request() {
  return new Promise((resolve) => {
    const req = client.request({ ':path': '/', ':method': 'GET' });
    req.on('data', () => {});
    req.on('end', resolve);
    req.end();
  });
}

curl http://localhost:3001/batch -v 进行测试结果：

  • TCP 连接只在 Target Server 启动时即建连，且不主动销毁
  • 批量 10 次请求，复用现有单个 TCP 连接，结果符合预期

注意事项

如果你想要按照上面的示例进行测试，有一些 TLS 带来的调试问题注意事项：

  • Provider Server：需要自行生成证书，参考：https://nodejs.org/api/http2.html#server-side-example
  • Provider Server：增加 Node.js 启动参数 node --tls-keylog=/somewhere/ssllogfile.txt provider-server.js，用于 Wireshark
  • Target Server：增加环境变量 NODE_TLS_REJECT_UNAUTHORIZED=0 node target-server.js解决自建证书的安全问题
  • Wireshark：配置日志文件，用于解析 TLS 层数据包

总结

文章主要探讨了 TCP 长连接的相关知识。首先通过示例解释了长连接的基本原理和流程，包括 TCP 连接、HTTP 请求、Keep Alive 检查等。然后分析了在手动 curl 触发第三次请求时的问题，说明了因为 TCP 连接只存在5秒，超时后会自动断连。

接着，给出了如何配置长连接的解决方案，包括客户端和服务端的设置，以及超时时长的调整。同时还讲解了一些与客户端配置相关的参数，如 Agent.maxFreeSockets、Agent.maxSockets 和 Agent.maxTotalSockets 等，并解释了 TCP 连接数的限制和客户端存在限制的原因。

最后，我们探讨了 HTTP 2 对于微服务架构的可用性，我认为是可以实践的，不过要去掉 TLS ，走 HTTP2 over TCP。

完，希望对大家有所帮助。

参考

洋葱

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