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集群流控

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2023-12-01

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介绍

为什么要使用集群流控呢？假设我们希望给某个用户限制调用某个 API 的总 QPS 为 50，但机器数可能很多（比如有 100 台）。这时候我们很自然地就想到，找一个 server 来专门来统计总的调用量，其它的实例都与这台 server 通信来判断是否可以调用。这就是最基础的集群流控的方式。

另外集群流控还可以解决流量不均匀导致总体限流效果不佳的问题。假设集群中有 10 台机器，我们给每台机器设置单机限流阈值为 10 QPS，理想情况下整个集群的限流阈值就为 100 QPS。不过实际情况下流量到每台机器可能会不均匀，会导致总量没有到的情况下某些机器就开始限流。因此仅靠单机维度去限制的话会无法精确地限制总体流量。而集群流控可以精确地控制整个集群的调用总量，结合单机限流兜底，可以更好地发挥流量控制的效果。

集群流控中共有两种身份：

  • Token Client：集群流控客户端，用于向所属 Token Server 通信请求 token。集群限流服务端会返回给客户端结果，决定是否限流。
  • Token Server：即集群流控服务端，处理来自 Token Client 的请求，根据配置的集群规则判断是否应该发放 token（是否允许通过）。

模块结构

Sentinel 1.4.0 开始引入了集群流控模块，主要包含以下几部分：

  • sentinel-cluster-common-default: 公共模块，包含公共接口和实体
  • sentinel-cluster-client-default: 默认集群流控 client 模块，使用 Netty 进行通信，提供接口方便序列化协议扩展
  • sentinel-cluster-server-default: 默认集群流控 server 模块，使用 Netty 进行通信，提供接口方便序列化协议扩展；同时提供扩展接口对接规则判断的具体实现（TokenService），默认实现是复用 sentinel-core 的相关逻辑

集群流控规则

规则

FlowRule 添加了两个字段用于集群限流相关配置：

private boolean clusterMode; // 标识是否为集群限流配置
private ClusterFlowConfig clusterConfig; // 集群限流相关配置项

其中 用一个专门的 ClusterFlowConfig 代表集群限流相关配置项，以与现有规则配置项分开：

// （必需）全局唯一的规则 ID，由集群限流管控端分配.
private Long flowId;

// 阈值模式，默认（0）为单机均摊，1 为全局阈值.
private int thresholdType = ClusterRuleConstant.FLOW_THRESHOLD_AVG_LOCAL;

private int strategy = ClusterRuleConstant.FLOW_CLUSTER_STRATEGY_NORMAL;

// 在 client 连接失败或通信失败时，是否退化到本地的限流模式
private boolean fallbackToLocalWhenFail = true;
  • flowId 代表全局唯一的规则 ID，Sentinel 集群限流服务端通过此 ID 来区分各个规则，因此务必保持全局唯一。一般 flowId 由统一的管控端进行分配，或写入至 DB 时生成。
  • thresholdType 代表集群限流阈值模式。其中单机均摊模式下配置的阈值等同于单机能够承受的限额，token server 会根据客户端对应的 namespace（默认为 project.name 定义的应用名）下的连接数来计算总的阈值（比如独立模式下有 3 个 client 连接到了 token server，然后配的单机均摊阈值为 10，则计算出的集群总量就为 30）；而全局模式下配置的阈值等同于整个集群的总阈值。

ParamFlowRule 热点参数限流相关的集群配置与 FlowRule 相似。

集群规则配置方式

在集群流控的场景下，我们推荐使用动态规则源来动态地管理规则。

对于客户端，我们可以按照原有的方式来向 FlowRuleManager 和 ParamFlowRuleManager 注册动态规则源，例如：

ReadableDataSource<String, List<FlowRule>> flowRuleDataSource = new NacosDataSource<>(remoteAddress, groupId, dataId, parser);
FlowRuleManager.register2Property(flowRuleDataSource.getProperty());

对于集群流控 token server，由于集群限流服务端有作用域（namespace）的概念，因此我们需要注册一个自动根据 namespace 生成动态规则源的 PropertySupplier:

// Supplier 类型：接受 namespace，返回生成的动态规则源，类型为 SentinelProperty<List<FlowRule>>
// ClusterFlowRuleManager 针对集群限流规则，ClusterParamFlowRuleManager 针对集群热点规则，配置方式类似
ClusterFlowRuleManager.setPropertySupplier(namespace -> {
    return new SomeDataSource(namespace).getProperty();
});

然后每当集群限流服务端 namespace set 产生变更时，Sentinel 会自动针对新加入的 namespace 生成动态规则源并进行自动监听，并删除旧的不需要的规则源。

集群限流客户端

要想使用集群限流功能，必须引入集群限流 client 相关依赖：

<dependency>
    <groupId>com.alibaba.csp</groupId>
    <artifactId>sentinel-cluster-client-default</artifactId>
    <version>1.8.0</version>
</dependency>

用户可以通过 API 将当前模式置为客户端模式：

http://<ip>:<port>/setClusterMode?mode=<xxx>

或者通过 ClusterStateManager API 手动指定模式：

// 指定当前身份为 Token Client
ClusterStateManager.applyState(ClusterStateManager.CLUSTER_CLIENT);

其中 mode 为 0 代表 client（ClusterStateManager.CLUSTER_CLIENT），1 代表 server。设置成功后，若已有客户端的配置，集群限流客户端将会开启并连接远程的 token server。我们可以在 ~/logs/csp/sentinel-record.log 日志中查看连接的相关日志。

若集群限流客户端未进行配置，则用户需要对客户端进行基本的配置，比如指定集群限流 token server。我们提供了 API 进行配置：

http://<ip>:<port>/cluster/client/modifyConfig?data=<config>

其中 data 是 JSON 格式的配置项：

  • serverHost: token server host
  • serverPort: token server 端口
  • requestTimeout: 请求的超时时间（默认为 20 ms）

当然也可以通过动态配置源进行配置。集群限流 token client 共有两种配置：

  • 客户端分配配置（ClusterClientAssignConfig），包括要连接的对端 token server 地址等相关信息。我们可以通过 ClusterClientConfigManager 的 registerServerAssignProperty 方法注册动态配置源。分配配置通常通过统一的分配表解析而来，可以参考 embedded 模式 demo。
  • 客户端通信配置（ClusterClientConfig），包括通信的超时时长等配置。我们可以通过 ClusterClientConfigManager 的 registerClientConfigProperty 方法注册动态配置源。

配置源注册的相关逻辑可以置于 InitFunc 实现类中，并通过 SPI 注册，在 Sentinel 初始化时即可自动进行配置源加载监听。

若用户未引入集群限流 client 相关依赖，或者 client 未开启/连接失败/通信失败，则对于开启了集群模式的规则：

  • 集群热点限流默认直接通过
  • 普通集群限流会退化到 local 模式的限流，即在本地按照单机阈值执行限流检查

当 token client 与 server 之间的连接意外断开时，token client 会不断进行重试，每次重试的间隔时间以 n * 2000 ms 的形式递增。

集群限流服务端

要想使用集群限流服务端，必须引入集群限流 server 相关依赖：

<dependency>
    <groupId>com.alibaba.csp</groupId>
    <artifactId>sentinel-cluster-server-default</artifactId>
    <version>1.8.0</version>
</dependency>

启动方式

Sentinel 集群限流服务端有两种启动方式：

  • 独立模式（Alone），即作为独立的 token server 进程启动，独立部署，隔离性好，但是需要额外的部署操作。独立模式适合作为 Global Rate Limiter 给集群提供流控服务。

image

  • 嵌入模式（Embedded），即作为内置的 token server 与服务在同一进程中启动。在此模式下，集群中各个实例都是对等的，token server 和 client 可以随时进行转变，因此无需单独部署，灵活性比较好。但是隔离性不佳，需要限制 token server 的总 QPS，防止影响应用本身。嵌入模式适合某个应用集群内部的流控。

image

我们提供了 HTTP API 用于在 embedded 模式下转换集群流控身份：

http://<ip>:<port>/setClusterMode?mode=<xxx>

其中 mode 为 0 代表 client，1 代表 server，-1 代表关闭。注意应用端需要引入集群限流客户端或服务端的相应依赖。

在独立模式下，我们可以直接创建对应的 ClusterTokenServer 实例并在 main 函数中通过 start 方法启动 Token Server。

规则配置

见前面 规则配置 相关内容。

属性配置

我们推荐给集群限流服务端注册动态配置源来动态地进行配置。配置类型有以下几种：

  • namespace set: 集群限流服务端的作用域（命名空间），用于指定该 token server 可以服务哪些应用或分组，嵌入模式下可以设置为自己的应用名。集群限流 client 在连接到 token server 后会上报自己的命名空间（默认为 project.name 配置的应用名），token server 会根据上报的命名空间名称统计连接数。
  • transport config: 集群限流服务端通信相关配置，如 server port
  • flow config: 集群限流服务端限流相关配置，如滑动窗口统计时长、格子数目、最大允许总 QPS等

我们可以通过 ClusterServerConfigManager 的各个 registerXxxProperty 方法来注册相关的配置源。

从 1.4.1 版本开始，Sentinel 支持给 token server 配置最大允许的总 QPS（maxAllowedQps），用于对 Token Server 的资源使用进行限制，防止在嵌入模式下影响应用本身。

Token Server 分配配置

image

示例

sentinel-demo-cluster 提供了嵌入模式和独立模式的示例：

注意：若在本地启动多个 Demo 示例，需要加上 -Dcsp.sentinel.log.use.pid=true 参数，否则控制台显示监控会不准确。

集群限流控制台

使用集群限流功能需要对 Sentinel 控制台进行相关的改造，推送规则时直接推送至配置中心，接入端引入 push 模式的动态数据源。可以参考 Sentinel 控制台（集群流控管理文档）。

同时云上版本 AHAS Sentinel 提供开箱即用的全自动托管集群流控能力，无需手动指定/分配 token server 以及管理连接状态，同时支持分钟小时级别流控、大流量低延时场景流控场景，同时支持 Istio/Envoy 场景的 Mesh 流控能力。

其它

若在生产环境使用集群限流，管控端还需要关注以下的问题：

  • Token Server 自动管理、调度（分配/选举 Token Server）
  • Token Server 高可用，在某个 server 不可用时自动 failover 到其它机器

集群流控日志

  • ${log_dir}/sentinel-cluster-client.log：Token Client 日志，会记录请求失败的信息

扩展接口设计

整体扩展架构

overview-arch

通用扩展接口

以下通用接口位于 sentinel-core 中：

  • TokenService: 集群限流功能接口，server / client 均可复用
  • ClusterTokenClient: 集群限流功能客户端
  • ClusterTokenServer: 集群限流服务端接口
  • EmbeddedClusterTokenServer: 集群限流服务端接口（embedded 模式）

以下通用接口位于 sentinel-cluster-common-default:

  • EntityWriter
  • EntityDecoder

Client 扩展接口

集群流控 Client 端通信相关扩展接口：

  • ClusterTransportClient：集群限流通信客户端
  • RequestEntityWriter
  • ResponseEntityDecoder

Server 扩展接口

集群流控 Server 端通信相关扩展接口：

  • ResponseEntityWriter
  • RequestEntityDecoder

集群流控 Server 端请求处理扩展接口：

  • RequestProcessor: 请求处理接口 (request -> response)
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