聊聊如何設計千萬級吞吐量的.Net Core網絡通信！
- 作者：大石頭
- 時間：2018-10-26 晚上 20:00
- 地點：QQ群-1600800
- 內容：網絡通信，
- 網絡庫使用方式
- 網絡庫設計理念，高性能要點
介紹
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首先看下面這張很具有代表性的圖，2018年5月份做的測試。當時單服務器得到
2256tps(Transactions Per Second,每秒事務數) 的吞吐率。這次測試只是說明一個問題，.Net可以做超高吞吐率的應用。
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當時測試相關記錄和代碼地址
1.1 開始網絡編程
簡單的網絡程序示例
- 相關使用介紹：https://www.cnblogs.com/nnhy/p/newlife_net_echo.html
- 克隆上面的代碼，運行
EchoTest項目，打開編譯的exe，打開兩次，一個選1作為服務器，一個選2作為客戶端
- 在客戶端連接服務器和給服務端發送數據的時候，分別觸發
Start和OnReceive方法，連接之后服務端發送了Welcome 的消息，客戶端發送5次“你好”。服務端回傳收到的數據，打了一個日志，把收到的信息轉成字符串輸出到控制台。 - NetServer是應用級網絡服務器，支持tcp/udp/ipv4/ipv6。上面可以看到，同時監聽了四個端口。
- 碼神工具也可以連接上來
解釋
- 對於網絡會話來說，最關鍵的就是客戶端連上來，以及收到數據包，這兩部分，對應上面
Start和OnReceive兩個方法
服務端
- 上面是最小的網絡庫例程，簡單演示了服務端和客戶端，連接和收發信息。網絡應用分為NetServer/NetSession，服務端、會話，N個客戶端連接服務器，就會有N個會話。來一個客戶端連接，服務端就new一個新的NetSession，並執行Start，收到一個數據包，就執行OnReceive，連接斷開，就執行OnDispose，這便是服務端的全部。
- 客戶端連接剛上來的時候，沒有數據包等其它信息，所以這個時候沒有參數。客戶端發數據包過來，
OnReceive函數在處理。 - 服務端的創建，可以是很簡單，看以下截圖。這里為了測試方便，開了很多Log，實際使用的時候，根據需要注釋。
- 長連接、心跳第二節設計理念再講。
客戶端
- 跟很多網絡庫不同，NewLife.Net除了服務端，還封裝了客戶端。客戶端的核心，也就是Send函數和Received事件，同步發送，異步接收。
- 因為是長連接，所以服務端隨時可以向客戶端發送數據包，客戶端也可以收到。tcp在不做設置的時候，默認長連接2小時。
- NetServer默認20分鍾，在沒有心跳的時候，20分鍾沒有數據包往來，服務端會干掉這個會話。
- 雖然上面講的NetServer和Client，都是tcp，但是換成其它協議也是可以的。這里的NetServer和NetUri.CreateRemote，同時支持Tcp/Udp/IPv4/IPv6等，CreateRemote內部，就是根據地址的不同，去new不同的客戶端。所以我們寫的代碼，根本不在意用的是tcp還是udp，或者IPv6。有興趣的可以看看源碼
1.2 構建可靠網絡服務
- 相關博客
- 要真正形成一個網絡服務，那得穩定可靠。上面例程EchoTest只是簡單演示，接下來看下一個例程EchoAgent。
安裝運行
- 這是一個標准的Windows服務，有了這個東西，我們就可以妥妥的注冊到Windows里面去。這也是目前我們大量數據分析程序的必備。
- 首先運行EchoAgent，按2，安裝注冊服務，用管理員身份運行。安裝成功然后可以在服務里面找到剛剛安裝的服務。
- 安裝完成可以在服務上找到，再次按2就是卸載，這個是XAgent提供的功能
- 這時候按3，啟動服務
代碼解釋
- 接下來看代碼，服務啟動的時候，執行StartWork。在這個時候實例化並啟動NetServer，得到的效果就跟例程
EchoTest一樣，區別是一個是控制台一個是服務。停止服務時執行StopWork，我們可以在這里關閉NetServer。詳細請看源碼
- 必須有這個東西，你的網絡服務程序，才有可能達到產品級。linux上直接控制台，上nohup，當然還有很多其它辦法。以后希望這個XAgent能夠支持linux吧，這樣就一勞永逸了
1.3 壓測
- 相關博客
- 只需要記住一個兩個數字，.net應用打出來2266萬tps，流量峰值4.5Gbps
- 兩千萬吞吐量的數字，當然，只能看不能用。因為服務端只是剛才的Echo而已，並沒有帶什么業務。實際工作中，帶着業務和數據庫，能跑到10萬已經非常非常牛逼了。
- 我們工作中的服務可以跑到100萬，但是我不敢，怕它不小心就崩了。所以我們都是按照10萬的上限來設計，不夠就堆服務器好了，達到5萬以上后，穩定性更重要
網絡編程的坑
- 主要有粘包
- 程序員中會網絡編程的少，會解決粘包的更少！
1.4 網絡編程的坎——粘包
- 普遍情況，上萬的程序員，會寫網絡程序的不到20%，會解決粘包問題的不到1%，如果大家會寫網絡程序，並且能解決粘包，那么至少已經達到了網絡編程的中級水平。
什么是粘包
- 舉個栗子：客戶端連續發了5個包，服務端就收到了一個大包。代碼就不演示了，把第一個例程的這個睡眠去掉。
- 客戶端連續發了5個包，服務端就收到了一個大包。
原因
- 很多人可能都聽說Tcp是流式協議，但是很少人去問，什么叫流式吧？流式，就是它把數據像管道一樣傳輸過去。
- 剛才我們發了5個 “你好”，它負責把這10個字發到對方，至於發多少次，每次發幾個字，不用我們操心，tcp底層自己處理。tcp負責把數據一個不丟的按順序的發過去。所以，為了性能，它一般會把相近的數據包湊到一起發過去。對方收到一個大包，5個小包都粘在了一起，這就是最簡單的粘包。
- 這個特性由NoDelay設置決定。NoDelay默認是false，需要自己設置。如果設置了，就不會等待。但是不要想得那么美好，因為對方可能合包。
- 局域網MTU(Maximum Transmission Unit，最大傳輸單元)是1500，處於ip tcp 頭部等，大概1472多點的樣子。
更復雜的粘包及解決方法
- A 1000 字節 B 也是 1000字節，對方可能收到兩個包，1400 + 600。對方可能收到兩個包，1400 + 600。
- 凡是以特殊符號開頭或結尾來處理粘包的辦法，都會有這樣那樣的缺陷，最終是給自己挖坑。所以，tcp粘包，絕大部分解決方案，偏向於指定數據包長度。這其中大部分使用4字節長度，長度+數據。對方收到的時候，根據長度判斷后面數據足夠了沒有。
- 這是粘包的處理代碼：http://git.newlifex.com/NewLife/X/Blob/master/NewLife.Core/Net/Handlers/MessageCodec.cs
- 每次判斷長度，接收一個或多個包，如果接收不完，留下，存起來。等下一個包到來的時候，拼湊完整。
- 雖然tcp確保數據不丟，但是難免我們自己失手，弄丟了一點點數據。為了避免禍害后面所有包，就需要進行特殊處理了。
- 每個數據幀，自己把頭部長度和數據體湊一起發送啊，tcp確保順序。這里我們把超時時間設置為3~5秒，每次湊包，如果發現上次有殘留，並且超時了，那么就扔了它，省得禍害后面。
- 根據以上，粘包的關鍵解決辦法，就是設定數據格式，可以看看我們的SRMP協議，1字節標識，1字節序號，2字節長度
- 如果客戶端發送太頻繁，服務端tcp緩沖區阻塞，發送窗口會逐步縮小到0，不再接受客戶端數據。
1.5 .NetCore版RPC框架
- NetCore版RPC框架NewLife.ApiServer。
- 先看看這個效果
代碼分析
- 我們看這部分代碼，4次調用遠程函數，成功獲取結果，包括二進制高速調用、返回復雜對象、捕獲遠程異常，沒錯，這就是一個RPC。
服務端
- 有沒有發現，這個ApiServer跟前面的NetServer有點像？其實ApiServer內部就有一個NetServer
- 這么些行代碼，就幾個地方有價值，一個是注冊了兩個控制器。你可以直接理解為Mvc的控制器，只不過我們沒有路由管理系統，直接手工注冊。
- 第二個是指定編碼器為Json，用Json傳輸參數和返回值。其實內部默認就是Json，可以不用指定
- 看看我們的控制器，特別像Mvc，只不過這里的Controller沒有基類，各個Action返回值不是ActionResult，是的，ApiServer就是一個按照Mvc風格設置的RPC框架
- 返回復雜對象
- 做請求預處理，甚至攔截異常
- 像下面這樣寫RPC服務，然后把它注冊到ApiServer上，客戶端就可以在1234端口上請求這些接口服務啦
客戶端
- 客戶端是ApiClient，這里的MyClient繼承自ApiClient
- 這些就是我們剛才客戶端遠程調用的stub代碼啦，當然，我們沒有自動生成stub，也沒有要求客戶端跟服務端共用接口之類。實際上，我們認為完全沒有必要做接口約束，大部分項目的服務接口很少，並且要求靈活多變
- stub就是類似於，剛才那個MyController實現IAbc接口，然后客戶端根據服務端元數據自動在內存里面生成一個stub類並編譯，這個類實現了IAbc接口。
客戶端直接操作接口，還以為在調用服務端 的函數呢 - 其實stub代碼內部，就是封裝了 這里的InvokeAsync這些代碼，等同於自動生成這些代碼，包括gRPC、Thrift等都是這么干的
框架解析
- 這個RPC框架，封包協議就是剛才的SRMP，負載數據也就是協議是json
- 當需要高速傳輸的時候，參數用Byte[]，它就會直接傳輸，不經json序列化，這是多年經驗得到的靈活性與性能的最佳結合點
2.1 人人都有一個自己的高性能網絡庫
- 網絡庫核心代碼：http://git.newlifex.com/NewLife/X/Tree/master/NewLife.Core/Net
- 我們一開始就是讓Tcp/Udp可以混合使用，網絡庫設計於2005年，應該要比現如今絕大部分網絡框架要老。服務端清一色采用 Server+Session 的方式。
- 網絡庫的幾個精髓文件
- 其中比較重要的一個，里面實現了 Open/Close/Send/Receive 系列封裝，Tcp/Udp略有不同，重載就好了。打開關閉比較簡單，就不講了
- 所有對象，不管客戶端服務端，都實現ISocket。然后客戶端Client，服務端Server+Session。tcp+udp同時支持並不難，因為它們都基於Socket。
- 目前無狀態無會話的通信架構，做不到高性能。我們就是依靠長連接以及合並小包，實現超高吞吐量
- 一般靈活性和高性能都是互相矛盾的
2.2 高性能設計要點
- 第一要點：同步發送，因為要做發送隊列、拆分、合並，等等，異步發送大大增加了復雜度。大家如果將來遇到詭異的40ms延遲，非常可能就是tcp的nodelay作怪，可以設為true解決
- 第二要點：IOCP，高吞吐率的服務端，一定是異步接收，而不是多線程同步。當然，可以指定若干個線程去select，也就是Linux里面常見的poll，那個不在這里討論，Windows極少人這么干，大量資料表明，iocp更厲害。
- SAEA是.net/.netcore當下最流行的網絡架構，我們可以通俗理解為，把這個緩沖區送給操作系統內核，待會有數據到來的時候，直接放在里面，這樣子就減少了一次內核態到用戶態的拷貝過程。
- 我們測試4.5Gbps，除以8，大概是 540M字節，這個拷貝成本極高
- 第三要點：零拷貝ZeroCopy，這也是netty的核心優勢。iocp是為了減少內核態到用戶態的拷貝，zerocopy進一步把這個數據交給用戶層，不用拷貝了。
- 數據處理，我們采用了鏈式管道，
- 這些都是管道的編碼器
- 數據處理，我們采用了鏈式管道，
- 第四要點：合並小包，NoDelay=false，允許tcp合並小包，MTU=1500，除了頭部，一般是1472
- 第五要點：二進制序列化，消息報文盡可能短小，每個包1k，對於100Mbps，也就12M，理論上最多12000包，所以大量Json協議或者字符串協議，吞吐量都在1萬上下
- SRMP頭部4字節，ApiServer的消息報文，一般二三十個字節，甚至十幾個字節
- 第五要點：批量操作，
User FindByID(int id); User[] FindByIDs(int[] ids);
最后
- 整理不全，大家湊合着看。中途錄屏，語音啥的還掉了，准備得不是很好，下周再來一次吧，選Redis