千万并发连接下，如何保障网络性能？
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2021-11-24 08:39
过去几十年互联网呈爆发式的增长，内容的丰富以及层出不穷的DDoS攻击等，对网络性能提出了极大的挑战，也同样促进了网络基础设施的快速发展。运营商的带宽越来越大，CPU/网卡等硬件的性能也会越来越强。但在很长时间内，软件的性能提升落后于硬件的性能提升，并严重限制了应用程序的性能，大部分时间不得不依靠堆机器来应对，造成了大量的资源浪费和成本提高。
随着软件的不断发展，在新世纪的第一个10年时，通过多线程和事件驱动（kqueue/epoll等）解决了C10K的问题。但是在第二个10年却不堪重负，亟需新的解决方案来应对网络流量的增长。
比如腾讯云对外提供的HttpDNS服务每隔几个月请求量都会翻倍，对高性能的网络处理和用户态协议栈都有强烈的需求。HttpDNS早期使用的内核协议栈只能做到单机不到10万QPS的TCP短连接服务。随着技术的进步和发展，如REUSEPORT等，后续内核协议栈也可以做到几十万QPS了，但依然存在非常大的横向扩展瓶颈。基于这样的瓶颈下，腾讯云迫切需要一个高性能的网络服务框架，所以选择了通过DPDK+用户态协议栈来进行内核旁路来提升网络性能。
Robert David Graham在2013年针对C10M的演讲中，对于如何达到千万并发连接，最主要的观点就是内核才是阻碍性能提升的问题，我们应该绕过内核（kernel by pass，内核旁路）以及大量其它的技术优化，如轮询、零拷贝、Hugepage等。
Linux内核后续引入的eBPF和XDP同样能够大幅提升网络性能，但是其提升性能的本质依然是绕过内核，目前还未能对Intel DPDK生态造成实质的冲击，尤其是对高内核版本和网卡驱动的依赖，严重限制了在企业的使用推广。
在此次演讲之前，相关的技术已经得到了一定的应用，如演讲中提到的PF_RING、Netmap、IntelDPDK等数据驱动，腾讯云DNSPod在2012年就已经完成了相关软硬件的调研选型工作，并最终选择DPDK（此时尚未开源）实现了新一代的权威DNS服务器达到了单10GE 1100万QPS的性能，大幅提升了DNS的常规解析和抗攻击能力。但是确实直到该演讲出现后，相关技术才在业界得到了大规模的开发应用，尤其是从中脱颖而出的DPDK，几乎成了高性能网络程序的标配。而我们也是在16年的时候将权威DNS中使用DPDK的网络模块单独抽出来作为一个独立的通用的网络框架，可以复用到多个业务上提升网络性能，也就是现在的F-Stack。
一、F-Stack介绍及技术特点
F-Stack是一个全用户态的高性能的网络接入开发包，基于DPDK、FreeBSD协议栈、微线程接口等，用户只需要关注业务逻辑，简单的接入F-Stack即可实现高性能的网络服务器。将网络包进行内核旁路到应用层进行处理虽然大幅提升了网络性能，但是也无法再使用内核的网络协议栈了，这对4层以下以及简单的UDP 7层应用影响不大，但是对其他的7层应用来说，一个成熟的用户态协议栈是必须的，所以F-Stack就是腾讯云DNSPod给出的方案。
F-Stack是基本完整的网络编程框架，相当于用胶水粘合了了DPDK网络I/O模块、FreeBSD用户态协议栈、POSIX Like API，异步编程接口、部分上层应用等，供用户接入使用。
使用纯C开发(部分第三方组件使用了C++、F-Stack进行了封装)，容易上手，但也要求用户有一定的DPDK使用基础。使用BSD 2-Clause开源协议，对商业使用非常友好。那对于F-Stack都有哪些技术特点呢？接下来将继续介绍。
（一）多进程架构，轮询模式
这里是F-Stack的一个基本架构，采用多进程模型，全用户态，每个进程与一个CPU核心、网卡收发队列进行绑定，拥有更好的内存局部性，避免缓存失效，且进程内部使用轮询模式，无锁、无调度、无上下文切换。
F-Stack目前采用多进程架构，各进程拥有自己进程独立的协议栈，应用接口和应用层业务逻辑，规避了内核的多种性能瓶颈，各个进程间无数据共享，有非常好的横向扩展能力。
（二）DPDK开发套件
DPDK是广泛使用的数据平面开发套件，此处不再对其本身进行过多介绍。F-Stack对DPDK版本的选用上除了初始开源版本使用了16.07版本之外，很快升级并一直保持使用DPDK的LTS版本（xx.11）版本，但一般会在最新的LTS版本发布之后数个月在dev分支进行升级支持，并在更晚之后的时间（一般1年左右）正式发布，如目前F-Stack主力稳定的1.20和1.21版本分别使用了DPDK 18.11.x和19.11.x版本，在开发分支中则支持了20.11.x版本。
（三）FreeBSD协议栈
F-Stack对于选用FreeBSD协议栈进行用户态移植，背后其实是有过很多的思考和尝试的，此处仅列觉几个FreeBSD协议栈的优点，更多信息可以通过后面的F-Stack背景故事进行了解。
协议栈功能完善，且有大量工具可以对网络进行调试分析，如sysctl、ifconfig、netstat、netgraph、ipfw、ndp等。
可以跟进社区的改进，无需自己开发维护，有原始用户态移植可供参考，大幅减少工作量，见libplebnet和libuinet。
相比Linux的协议栈实现复杂，FreeBSD的代码更清晰易懂；Linux遵循GPL协议开源，可能会限制部分用户的使用。
F-Stack目前发布版本均基于FreeBSD releng 11.0 版本，并移植了部分后续版本的patch，功能完善但也冗余(去除了部分模块未编译进F-Stack，如SCTP、IPSEC等)，调试分析工具完善，运行稳定。后续则会升级到 FreeBSD releng 13.0版本，并将持续跟进社区的重大改进。
（四）POSIX兼容接口
F-Stack提供POSIX like接口，前缀为“ff_”，如“ff_socket”“ff_bind”等，并提供了“ff_kqueue”事件驱动接口并同时基于kqueue封装了“ff_epoll”接口，除“ff_epoll”接口的使用上与linux系统接口略有区别外，其他接口用法完全兼容，现有程序可以做到简单改动即可接入。
需要注意的是，虽然接口用法完全兼容，但是因为很多标记位在Linux和FreeBSD系统的定义并不相同，F-Stack接口内部会进行定义的转换，但是并不能保证100%支持，尤其是后续新增的标记定义，也需要持续进行更新维护。
POSIX like接口对原有应用的移植是友好的，并且使用上也比较安全，但是因为涉及到内存拷贝，所以性能上并不能达到最优，后续F-Stack也会提供一套独立的零拷贝API供有需要的用户选用。
（五）微线程框架
F-Stack应用程序必须使用异步模式接口进行编程，但也同时提供了微线程（协程）框架，可以供用户进行同步编程，异步执行。
微线程框架使用了同为腾讯开源的MSEC中的一部分micro_thread，需要特别注意的是微线程模块的开源协议是GPL-2.0，并不是F-Stack主要的必须核心模块，对F-Stack主体开源协议并无影响，但是如果用户以 micro_thread模块进行应用开发，则需关注开源协议可能造成的影响。
（六）应用移植
F-Stack目前是提供lib库接入的方式，需要与业务应用程序一起编译打包，并直接提供了已经移植好的Nginx和Redis应用供用户直接使用。
对于部分原多线程架构的应用程序，尤其是有资源共享时，为了达到更好的性能和横向扩展能力，我们的建议是尽量能够拆分并减少资源的共享。如果实在无法拆分，F-Stack后续也会考虑提供独立的网络I/O和协议栈模块，但是性能的下降也将不可避免。
（七）适用场景
这里我们先来看下Nginx分别使用F-Stack和内核协议栈的一个性能对比，分别是短链接和长链接，需要说明的是内核协议栈也是经过了多种调优之后的测试数据，比如网卡队列、worker的CPU亲和性绑定，开启REUSEPORT 和其他内核网络参数的优化调整。
这里F-Stack对内核协议栈都有明显的提升，但是其中超过12核之后的短链接的提升尤其明显，F-Stack对大部分高并发的网络应用场景都有较好的性能优化和使用价值，其中最适合的是超大并发的TCP短链接业务场景，这也是我们HttpDNS的主要业务场景。
当然，想要全面的了解F-Stack的业务应用，就必须要从其发展历史的开启来看待。
（八）F-Stack发展历史
目前对外开源的F-Stack已经是3.0版本，1.0版本是12-13年DNSPod的权威DNS选用DPDK来提升性能时候，是一个简易的用户态TCP协议栈用来支持TCP DNS，13年上线后一直在线上持续运行，近两年已经全部升级到3.0了。
为了支持DNS业务的快速发展，不能缺少一个高性能的用户态协议栈，而维护一个功能完善的TCP协议栈需要耗费大量的精力，这也是开发F-Stack 2.0和3.0的一个很重要的原因。
16年的时候当时的leader拍板下，我们放弃了继续维护1.0的协议栈，选用开源协议栈进行适配升级并对外开源，通过调研先选择了seastar（排除了MTCP、LwIP等），并在当年做了2.0版本，也做了一些应用适配，比如 HttpDNS，腾讯云动态加速CDN（DSA，现在已经合并到全站加速ECDN中）等，但是理想是美好的，现实是残酷的，虽然基于F-Stack2.0版本的HttpDNS在实验室表现堪称完美，性能优异，可扩展插件式架构等，但是在现网少量灰度运营时踩了无数坑，这和Seastar本身的使用场景是相关的，作为 ScyllaDB的组件，其主要应用场景是在内网的，并不能很好的适应外网复杂的网络环境。
在团队填了不少坑，也提交了多个Pull Request到Seastar后我们发现又陷入了1.0版本的循环，所以坚持一段时间后还是放弃了Seastar，转而从更成熟的Llinux和FreeBSD协议栈中选择了FreeBSD来开发F-Stack 3.0，也就是目前对外开源的版本。当然F-Stack 2.0的框架其实也并没有完全废弃，虽然在主要服务于外网的HttpDNS上水土不服，但是在以内网互联加速为主要场景的CDN动态加速DSA中是运行了多年才进行升级的。
17年上半年我们基于DPDK和FreeBSD协议栈开发完成了F-Stack 3.0，并对外开源，并很快重新适配了HttpDNS，因为HttpDNS的请求量一直在快速增长，业务性能压力非常大，所以优先适配HttpDNS，并逐步上线对外提供服务，虽然后续也遇到了一些问题，但是都很快优化并稳定下来，到目前支撑了日请求量万亿的HttpDNS请求并保持了10倍。
（九）F-Stack开源版本历史
2017.4.14 正式开源
2017.11.27 Release 1.11
2018.5.21 Release 1.12
2019.11.15 Release1.13
2019.11.23 Release 1.20
2021.1.29 Release 1.21
二、F-Stack ROADMAP
目前F-Stack也一直在持续维护中，预计2021年底至2022年初将发布1.22版本，可能包含以下新特性：
DPDK 20.11，dev分支已经升级支持，相比19.11之前在编译和使用方式上有很大区别，仅支持使用meson/ninja进行编译。
FreeBSD 13.0，dev分支已经升级支持，但是目前尚未完全稳定，依然存在一些问题，如BBR/RACK尚不能正常工作，多进程性能存在部分问题待优化，部分工具的部分功能异常（如ff_netstat对监听端口的查看等）,还需进一步调试优化。
新的零拷贝接口支持。
原有应用一键移植支持，提供的独立的网络I/O和协议栈模块，提供类似LD_PRELOAD或其他方式简化应用移植门槛，但一定会导致性能下降。
Nginx-1.20支持。
Redis 6支持。
接收端网卡分流的默认方式由RSS修改为Flow Director，但依然保持现有默认的RSS策略。
【注意】以上功能会视具体时间安排调整，部分功能将很可能无法包含在1.22版本中发布，将会顺延至后续版本进行支持。
三、F-Stack实践案例
F-Stack自从开源后获得了全球大量研究机构、高校、公司的肯定，用于进行技术研究工作或线上商业化项目，那在这里会给大家仅列举F-Stack用户实际现网业务的实践案例。
（一）腾讯云HttpDNS
HttpDNS服务主要用于移动端APP，解决其默认DNS大量存在的解析失败，解析结果跨网，解析劫持等问题，目前各大TOP APP大部分都有使用此类技术，而腾讯云DNSPod作为最早推出商用HttpDNS服务，目前服务大量用户，日请求量万亿级，历史版本介绍可参考公众号“鹅厂网事”上的文章《千亿级HttpDNS服务是怎样炼成的》，当然目前最新的HttpDNS 也已经迭代更新了多个版本，新的专业版支持了更多的特性功能，如IPv6，DNSPod权威数据推送，用户自定义域名解析，危险域名拦截（用户自定义是否开启及拦截哪些类别的危险域名），黑白名单，请求统计等一系列功能，也都构建在 F-Stack基础架构之上。
（二）DNSPod权威DNS
作为F-Stack的父项目，DNSPod权威DNS为近千万域名提供权威解析服务，受益于F-Stack的高性能网络服务，最新版本的权威DNS已经在百G机型上达到了单机1亿QPS的性能，具体见本人之前的一篇文章《基于F-Stack 的权威DNS单机1亿QPS性能优化实践》，目前DNSPod总线上容量达到了数十亿QPS，结合腾讯集团遍布全球的大带宽节点部署和先进的防护设备及算法，DNSPod在客户无感知情况下多次成功防护TB级以上的DDoS攻击，最近一次发生在2021.8.27周五下午，多种攻击方式混合攻击，平台受攻击合计峰值超过5T。
四、其它用户态协议栈介绍
VPP
VPP（https://fd.io/）由思科主导，多个大厂参与，其用户态协议栈Host Stack由思科交换机协议栈发展而来，开源时间晚于F-Stack，但是是目前社区活跃度最高的用户态协议栈。
MTCP
MTCP(http://shader.kaist.edu/mtcp/)Stack来自韩国KAIST，在业界也有广泛的使用，主要问题是如其名字所示仅支持TCP。
Seastar
Seastar（https://github.com/scylladb/seastar）作为ScyllaDB的子项目，其Native stack在内网有较好的表现，内网场景使用较多。
LwIP
LwIP（http://savannah.nongnu.org/projects/lwip/）来自瑞典计算机科学院，轻量级协议栈，主要用于嵌入式系统等，但也有不少厂商基于LwIP进行修改移植支持自己的应用。
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