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美团无人车引擎在仿真实践

导读

在私有云集群环境下建设 Service Mesh ,往往需要对现有技术架构做较大范围的改造,同时会面临诸如兼容困难、规模化支撑技术挑战大、推广困境多等一系列复杂性问题。本文会系统性地讲解在美团在落地 Service Mesh 过程中,我们面临的一些挑战及实践经验,希望能对大家有所启发或者帮助。

一、美团服务治理建设进展

1.1 服务治理发展史

首先讲一下 OCTO,此前美团技术团队公众号也分享过很相关的文章,它是美团标准化的服务治理基础设施,现应用于美团所有事业线。OCTO 的治理生态非常丰富,性能及易用性表现也很优异,可整体概括为 3 个特征:

  1. 属于公司级的标准化基础设施。技术栈高度统一,覆盖了公司 90% 以上的应用,日均调用量达数万亿次。
  2. 经历过较大规模的技术考验。覆盖数万个服务、数十万个节点。
  3. 治理能力丰富。协同周边治理生态,实现了 SET 化、链路级复杂路由、全链路压测、鉴权加密、限流熔断等治理能力。

回顾美团服务治理体系的发展史,历程整体上划分为四个阶段:

  1. 第一阶段是基础治理能力统一。实现通信框架及注册中心的统一,由统一的治理平台支撑节点管理、流量管理、监控预警等运营能力。
  2. 第二阶段重点提升性能及易用性。4 核 4GB 环境下使用 1KB 数据进行 echo 测试,QPS 从 2 万提升至接近 10 万,99 分位线 1ms;也建设了分布式链路追踪、分阶段耗时精细埋点等功能。
  3. 第三阶段是全方位丰富治理能力。落地了全链路压测平台、性能诊断优化平台、稳定性保障平台、鉴权加密等一系列平台,也实现了链路级别的流量治理,如全链路灰度发布等。
  4. 第四阶段是建设了跨地域的容灾及扩展能力。在每天数千万订单量级下实现了单元化,也实现了所有 PaaS 层组件及核心存储系统的打通。

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1.2 服务治理体系的困境

目前,美团已具备了较完善的治理体系,但仍有较多的痛点及挑战。大的背景是公司业务蓬勃发展,业务愈发多元化,治理也愈发精细化,这带来了较多新的问题:

  1. 业务与中间件强耦合,制约彼此迭代。当中间件引入 Bug,可能成百上千、甚至数千个业务需要做配合升级,中间件的新特性也依赖业务升级后才能使用,成本很高。
  2. 中间件版本碎片化严重。发布出去的组件基本托管在业务侧,很难统一进行管控,这也频繁造成业务多类的问题。
  3. 异构体系融合难。新融入公司的技术体系往往与美团不兼容,治理体系打通的成本很高,难度也很大。此前,美团与大众点评打通治理,不包含业务迁移,就历时 1 年半的时间;近期,摩拜使用的 gRPC 框架也无法与系统进行通信,但打通迫在眉睫。
  4. 非 Java 语言治理体系能力弱,多个主流语言无官方 SDK。多元业务场景下,未来多语言也是个趋势,比如在机器学习领域,Python 语言不太可能被其他语言完全代替。

二、服务治理体系优化的思路与挑战

2.1 优化思路

总结来看,OCTO 在服务层实现了统一抽象来支撑业务发展,但它并未解决这层架构可以独立演进的问题。

1.2节中问题1与问题2的本质是“耦合”,问题3与问题4的本质是“缺乏标准服务治理运行时”。在理想的架构中,异构语言、异构治理体系可以共用统一的标准治理运行时,仅在业务使用的 SDK 部分有轻微差异。

所以,我们整体的优化思路分为三步:隔离解耦在隔离出的基础设施层建设标准化治理运行时标准之上建体系

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上述解决方案所对应的新架构模式下,各业务进程会附属一个 Proxy 进程,SDK 发出以及接收的流量均会被附属的 Proxy 拦截。像限流、路由等治理功能均由 Proxy 和中心化的控制大脑完成,并由控制面对接所有治理子系统集成。这种模式下 SDK 很轻薄,异构的语言、异构的治理体系就很容易互通,从而实现了物理解耦,业界将这种模式称为 Service Mesh(其中 Proxy 被称为数据面、中心化控制大脑被称为控制面)。

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2.2 复杂性挑战

美团在实践中所面临的复杂性划主要包括以下4类:

  1. 兼容性:技术改造涉及范围较大,一方面需要通过保证现有通信方式及平台使用方式不变,从而来保障业务研发效率,另一方面也要解决运行载体多样性、运维体系兼容等问题。
  2. 异构性:第一是多语言互通问题;第二是打通治理体系内的众多治理子系统,像服务鉴权、注册中心等系统的存储及发布订阅机制都是不同的;第三是快速打通新融入公司的异构治理体系。
  3. 大规模支撑:出于性能方面考虑,开源 Istio 等产品不宜直接应用于大规模的生产环境,美团控制面需具备百万级链接下高吞吐、低延迟、高精确的系统能力。
  4. 重交易型业务容错性低:交易型业务场景下,业务对 Service Mesh 的性能、稳定性往往持怀疑态度;美团基础架构团队也强调在业务价值导向下,基于实际业务价值进行运营推广,而不是采用从上至下的偏政策性推广方式。

三、美团落地 Service Mesh 的解决方案

3.1 整体架构

美团采用数据面基于 Envoy 二次开发、控制面自研为主、SDK 协同升级的方案(内部项目名是 OCTO Mesh )。架构简介如下:

  • 各语言轻薄的 SDK 与 Proxy 通过 UDS(Unix Domain Socket)交互,主要出发点是考虑到相比透明流量劫持,UDS 性能与可运维性更好。
  • 控制面与 Proxy 通过双向流通信,控制面与治理生态的多个子系统交互,并将计算处理过的治理数据及策略数据下发给 Proxy 执行,协同配合完成路由、限流等所有核心治理功能。
  • 控制面内部的 5 个模块都是自研的独立服务。
    • Pilot 承载核心治理能力,与 Proxy 直接交互。
    • Dispatcher 负责屏蔽异构子系统差异。
    • 集中式健康检查管理节点状态。
    • Config Server 管理 Mesh 体系内相关的策略,并将 Pilot 有状态的部分尽量迁移出来。
    • 监控及巡检系统负责提升稳定性。
  • 自研了的 Meta Server 系统实现 Mesh 体系内部的节点注册和寻址,通过管理控制面与数据面的链接关系,也实现了按事业群隔离、水平扩展等能力。

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3.2 兼容性解决方案

兼容性的目标及特征用一句话来总结就是:业务接入无感知。为此,我们做了以下三件事情:

(1) 与现有基础设施及治理体系兼容

  • 将 Service Mesh 与 OCTO 深度打通,确保各治理子系统的使用方式都不变。
  • 运行载体方面,同时支持容器、虚拟机、物理机。
  • 打通运维体系,保证服务治理基础设施处于可管理、可监测的状态。

(2) 协议兼容

  • 服务间调用往往是多对多的关系,一般调用端与服务端无法同时升级,为支持 Mesh 与非 Mesh 的互通,增强后的协议对业务完全透明。
  • 与语义相关的所有内容(比如异常等),均在 SDK 与 Proxy 之间达成共识,保证兼容。
  • 无法在控制面及数据面中实现的能力,在 SDK 中执行并通过上下文传递给 Proxy,保障功能完全对齐,当然这种情况应该尽量避免的。

(3) Mesh 与非 Mesh 模式的无缝切换

  • 基于 UDS 通信必然需要业务升级一次 SDK 版本,我们在 2020 年初时预先发布早做部署,确保当前大部分业务已经升级到新版本,但默认仍是不开启 Mesh 的状态。
  • 在可视化平台上面通过开关操作,几乎无成本实现从 Mesh 模式与非 Mesh 模式的切换,并具备实时生效的能力。

3.3 异构性解决方案

异构性的目标及特征用一句话总结就是:标准化服务治理运行时。具体可拆分为3个子目标:

  • 标准化美团内部 6 种语言的治理体系。
  • 架构层面由控制面统一对接各个治理子系统,屏蔽注册中心、鉴权、限流等系统具体实现机制的异构性。
  • 支持摩拜及未来新融入公司的异构治理体系与公司整体的快速融合。

针对上述3个子目标,我们所采取的方案如下:

  • 将数据面 + 控制面定义为标准化的服务治理运行时,在标准运行时内打通所有治理能力。
  • 建设统一接入中心系统 Dispatcher ,并由其对接并屏蔽治理子系统的异构性,从而实现外部系统的差异对 Pilot 透明;下图中 Dispatcher 与 Pilot 直接交互,Meta Server 的作用是避免广播降低冗余。
  • 重构或从零建设 SDK,目前使用的 6 种语言 SDK 均已落地并使用。
  • 异构语言、异构体系均使用增强的统一协议交互,实现互通。

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通过 Service Mesh 实现体系融合的前后对比如下:

  • 引入 Service Mesh 前,单车向公司的流量以及公司向单车的流量,均是由中间的 adaptor 单点服务承接。除稳定性有较大隐患外,所有交互逻辑均需要开发两份代码,效率较差。
  • 引入 Service Mesh后,在一套服务治理设施内打通并直接交互,消除了中心 adaptor 带来的稳定性及研发效率方面的缺陷;此外整个打通在1个月内完成,异构体系融合效率很高。

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通过上述方案,针对异构性方面取得了较好的效果:

  • 标准化 6 种语言治理体系,非 Java 语言的核心治理能力基本对齐 Java;新语言也很容易融入,提供的官方 Python 语言、Golang 语言的通信框架新版本(依托于 OCTO Mesh),开发成本均控制在1个月左右。
  • 支持异构治理子系统通过统一接入中心快速融入,架构简洁、扩展性强。
  • 支持异构治理体系快速融合并在单车侧落地,异构治理体系打通成本也从 1.5 年降低到 1 个月。

3.4 规模化解决方案

3.4.1 开源 Istio 问题分析

规模化的目标及特征用一句话总结是:具备支撑数万服务、百万节点体量的系统能力,并支持水平扩展。挑战主要有3个:

  • 美团体量是最流行开源产品 Istio 上限的上千倍。
  • 极高的实时性、准确性要求;配置下发错误或丢失会直接引发流量异常。
  • 起步较早,业界参考信息很少。

经过对 Istio 架构进行深入分析,我们发现核心问题聚焦在以下3个瓶颈点:

  • 每个控制面实例有 ETCD 存储系统的全部数据,无法水平扩展。
  • 每个 Proxy 链接相当于独立与 ETCD 交互,而同一个服务的 Proxy 请求内容都相同,独立交互有大量的 I/O 冗余。当 Proxy 批量发版或网络抖动时,瞬时风暴很容易压垮控制面及 ETCD。
  • 每个节点都会探活所有其他节点。10 万节点规模的集群,1 个检测周期有 100 亿次探活,会引发网络风暴。

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3.4.2 措施一:横向数据分片

针对 Istio 控制面各实例承载全集群数据的问题,对应的措施是通过横向逻辑数据分片支持扩展性,具体方案设计如下:

  • Proxy 启动时会去向 Meta Server 系统请求需要连接的 Pilot IP,Meta Server 将相同服务的 Proxy 尽量落到同一个控制面节点(内部策略更为复杂,还要考虑地域、负载等情况),这样每个 Pilot 实例按需加载而不必承载所有数据。
  • 控制面节点异常或发布更新时,其所管理的 Proxy 也会有规律的迁移,恢复后在一定时间后还会接管其负责的 Proxy,从而实现了会话粘滞,也就实现逻辑上面的数据分片。

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通过管理链接关系实现了按事业群隔离、按服务灰度等平台能力,最关键的还是解决了 Mesh 体系水平扩展的问题。

3.4.3 措施二:纵向分层订阅

针对 Istio 独立管理各 Proxy 链接的 I/O 冗余问题,对应的措施是通过分层订阅减少冗余 I/O。Proxy 不直接与存储等系统对接,而是在中间经过一系列的处理,关键点有两个:

  • 关键点 1:基于快照缓存 + 索引的机制来减少 ZK watcher 同步。以注册中心为例,常规实现方式下,如果每个 Proxy 关注 100 个节点,1 万个节点就会注册 100 万个 watcher,相同服务的 Proxy 所关注内容是相同的,另外不同服务 Proxy 所关注的也有很多交集,其中包含大量的冗余。分层订阅模式下,Proxy 不与注册中心直接交互,通过中间的快照缓存与分层,确保每个 Pilot 实例中 ZK 相同路径的监听最多只用1个 watcher,获取到 watcher 通知后,Pilot 根据内部的快照缓存 + 索引向所有关注者分发,大大降低了冗余。
  • 关键点 2:治理能力层及会话管理层实现了类似于 I/O 多路复用能力,通过并发提升吞吐。

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结果方面有效应对了网络抖动或批量发版的瞬间风暴压力,压测单 Pilot 实例可以承载 6 万以上的链接,时延 TP99 线 < 2.3ms、数据零丢失。

3.4.4 措施三:集中式健康检测

针对大规模集群内指数级膨胀的节点间健康监测次数,对应的措施是摒弃了 P2P 检测模式,我们参考并优化了 Google 的 Traffic Drector 中心化管理的健康检测模式。这种模式下检测次数大大减少,一个周期内 10 万节点集群的检测次数,从 100 亿次下降到 10 万次。

此外,当 Pilot 感知到 Proxy 异常时,会立即通知中心化健康检测系统启动检测,而不是等待检测周期窗口的到来,这可以有效提升业务调用的成功率。

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3.5 交易型场景困境下的解决方案

3.5.1 业务属性分析

美团内部业务线较多,包括外卖、配送、酒店、旅游、单车、团购等,其中绝大多数业务都带有交易属性,交易链路上一个流量异常就可能影响到订单。业务系统对新技术领域的探索往往比较慎重,期望在新技术充分验证后再启动试点,所以除小语种及亟待与公司打通的单车业务外,推广的难度是非常大的。此外,基础架构部秉承“以客户为中心”的原则,研发、运维、测试人员均是我们的“客户”,所以技术升级会重点从业务价值入手,并非简单依靠从上至下的政策推动力。

所以,我们对外的承诺是:通信足够快、系统足够稳定、接入足够平滑高效

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3.5.2 精细化运营体系建设

针对推广的困境,我们首先做了两件事情:

  • 寻找具备强诉求的业务试点,客观来说,美团技术栈内这类业务数量非常有限。
  • 寻求标杆核心业务试点,充分验证后推广给其他业务,但效果并不理想,与业务稳定性的诉求并不匹配。

针对上述困境,我们进行深度思考后建立了一个精细化的运营体系:

  • 服务接入 Mesh 前。基于 SOA 分级将服务划分为非核心与核心两类,先针对非核心服务以及所有服务的线下环境进行重点突破,实现了在广泛的业务场景下,全面且充分的验证系统能力。
  • 服务接入 Mesh 中。运营系统通过校验 SDK 版本、运行时环境等信息,自动筛选出满足条件的服务,业务同学只需要在平台上做(1)开启开关、(2)选择节点(3)指定 Mesh 流量比例三个步骤,就完成了到 Mesh 模式的切换,不需代码改造也不需发布服务,整个过程基本在 1 分钟左右完成;此外,通过与 IM 工具深度联动,提升了推广与数据运营的效率。
  • 服务接入 Mesh 后。一方面,业务侧包括架构侧的运营有详细的数据指标做对比参考;另一方面,运营系统支持预先设置稳定性策略并做准实时的检测,当某个接入服务 Mesh 模式异常时,即时自动切换回非 Mesh 模式。

运营体系具备 “接入过程无感”、“精细化流量粒度灰度”、“异常自动回滚恢复” 三个核心能力,在运营体系建设后推广运营较为顺利,目前线上接入的 600+ 服务、线下接入的 3500+ 服务中,90% 以上是依托运营平台接入 Mesh 的。

3.5.3 通信性能优化

在性能损耗优化这个方向,除使用 UDS 规避网络栈外,我们也通过增量聚合下发、序列化优化两个措施减少不必要的解包,提升了通信性能。

经过压测,去除非核心功能在 2 核 4G 环境用 1KB 数据做 echo 测试,QPS 在 34000 以上,一跳平均延迟 0.207ms,时延TP99 线 0.4ms 左右。

3.5.4 流量多级保护

美团落地 Service Mesh 在稳定性保障方面建设投入较多,目前尚无 Service Mesh 引发的故障,具体包含三个方面:

  • 首先做了流量多级保护
    • 一方面,当 Proxy 不可用时,流量会自动 fallback 到非 Mesh 模式;另一方面,支持最精细支持按单节点的 11000 比例灰度。下图是具体的交互流程,当然,这两个特性与 Service Mesh 的最终形态是冲突的,只是作为系统建设初期优先保证业务稳定性的过渡性方案,长期来看必然是要去除的(包括美团一些核心服务已经完全去除)。
    • 基于 FD 迁移 + SDK 配合协议交互,实现 Proxy 无损热重启的能力。
  • 控制面下发错误配置比停发配置的后果更为严重,我们建设了应用层面及系统层面的周期巡检,从端到端的应用视角验证正确性,避免或减少因变更引发的异常。
  • 系统交互方面,通过限流、熔断对中心化控制面做服务保护;系统内柔性可用,当控制面全部异常时,缓存机制也能协助 Proxy 在一定时间内可用。

四、总结

本文系统性的介绍美团在 Service Mesh 落地进程中面临的“兼容性”、“异构性”、“规模化”、“交易属性业务容错性低”这四类复杂性挑战,针对上述挑战,我们也详细介绍了大规模私有云集群场景下的优化思考及实践方案。

基于上述实践,目前美团线上落地服务数超过 600,线下服务数超过 3500+,初步验证了模式的可行性。短期价值方面,我们支持了摩拜等异构治理体系的快速融合、多语言治理能力的统一;长期价值仍需在实践中继续探索与验证,但在标准化服务治理运行时并与业务解耦、中心化管控下更丰富的治理能力输出两个方面,是非常值得期待的。

作者简介

继东、薛晨、业祥、张昀,均来自美团基础技术部-基础架构部。

招聘信息

基础技术部-基础架构部-中间件研发中心-服务框架组涉及领域主要包括 RPC 通信框架、Service Mesh、服务治理门户、Set化、流程引擎系统 Gravity等。感兴趣的同学可投递简历至:tech@meituan.com(邮件主题请注明:基础架构部)。

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