浅谈过载保护

雪球：对于时延敏感的服务，当外部请求超过系统处理能力，如果系统没有做相应保护，可能导致历史累计的超时请求达到一定规模，像雪球一样形成恶性循环。由于系统处理的每个请求都因为超时而无效，系统对外呈现的服务能力为0，且这种情况下不能自动恢复。

作者bison，腾讯后台开发技术总监。

　　过载保护，看似简单，但是要做好并不容易。这里用两个曾经经历的反面案例，给出过载保护的直观展现，并附上一点感想。

案例一基本情况

　　如下图，进程A是一个单进程系统，通过udp套接字接收前端请求进行处理。在处理过程中，需要访问后端系统B，是同步的方式访问后端系统B，根据后端系统B的SLA，超时时间设置是100ms。前端用户请求的超时时间是1s。

　　进程A的时序是：

Step1: 从socket接收缓冲区接收用户请求

Step2: 进行本地逻辑处理

Step3: 发送请求到后端系统B

Step4: 等待后端系统B返回

Step5: 接收后端系统B的应答

Step6: 应答前端用户，回到step1处理下一个请求

正常情况下的负载

　　正常情况下：

1、前端请求报文大小约100Bytes。前端请求的峰值每分钟1800次，即峰值每秒30次。

2、后端系统B并行能力较高，每秒可以处理10000次以上，绝大多数请求处理时延在20ms内。

3、进程A在处理请求的时候，主要时延是在等待后端系统B，其他本地运算耗时非常少，小于1ms

　　这个时候，我们可以看出，系统工作良好，因为处理时延在20ms内，每秒进程A每秒中可以处理50个请求，足以将用户每秒峰值30个请求及时处理完。

导火索

　　某天，后端系统B进行了新特性发布，由于内部逻辑变复杂，导致每个请求处理时延从20ms延长至50ms，根据sla的100ms超时时间，这个时延仍然在正常范围内。当用户请求达到峰值时间点时，灾难出现了，用户每次操作都是“服务器超时无响应”，整个服务不可用。

过载分析

　　当后端系统B处理时延延长至50ms的时候，进程A每秒只能处理20个请求（1s / 50ms = 20 ）。小于正常情况下的用户请求峰值30次/s。这个时候操作失败的用户往往会重试，我们观察到前端用户请求增加了6倍以上，达到200次/s，是进程A最大处理能力（20次/s）的10倍！

　　 这个时候为什么所有用户发现操作都是失败的呢？ 为什么不是1/10的用户发现操作能成功呢？ 因为请求量和处理能力之间巨大的差异使得5.6s内就迅速填满了socket接收缓冲区（平均能缓存1000个请求，1000/(200-20)=5.6s），并且该缓冲区将一直保持满的状态。这意味着，一个请求被追加到缓冲区里后，要等待50s（缓存1000个请求，每秒处理20个，需要50s）后才能被进程A 取出来处理，这个时候用户早就看到操作超时了。换句话说，进程A每次处理的请求，都已经是50s以前产生的，进程A一直在做无用功。雪球产生了。

案例二基本情况

　　前端系统C通过udp访问后端serverD，后端server D的udp套接字缓冲区为4MB，每个请求大小约400字节。后端serverD偶尔处理超时情况下，前端系统C会重试，最多重试2次。

正常情况下的负载

　　正常情况，后端serverD单机收到请求峰值为300次/s，后端serverD单机处理能力是每秒1500次，时延10ms左右。这个时候工作正常。

导火索

　　由于产品特性（例如提前通知大量用户，未来某某时刻将进行一项秒杀活动；类似奥运门票，大量用户提前得知信息：某日开始发售门票），大量的用户聚集在同一时刻发起了大量请求，超出了后台serverD的最大负载能力。操作响应失败的用户又重试， 中间系统的重试，进一步带来了更大量的请求(正常情况下的9倍)。导致所有用户操作都是失败的。

过载分析

　　只是导火索不一样，同案例一，巨大的请求和处理能力之间的鸿沟，导致后端serverD的4M大小的接收缓冲区迅速填满（4秒就填满），且过载时间内，接收缓冲区一直都是满的。而处理完缓冲区内的请求，ServerD需要6秒以上（4MB / 400 / 1500 = 6.7S）。所以serverD处理的请求都是6s之前放入缓冲区的，而该请求在最前端早已经超时。雪球形成了。

启示

1、  每个系统，自己的最大处理能力是多少要做到清清楚楚。例如案例一中的前端进程A，他的最大处理能力不是50次/s，也不是20次/S，而是10次/S。因为它是单进程同步的访问后端B， 且访问后端B的超时时间是100ms，所以他的处理能力就是1S/100ms=10次/S。而平时处理能力表现为50次/S，只是运气好。

2、  每个系统要做好自我保护，量力而为，而不是尽力而为。对于超出自己处理能力范围的请求，要勇于拒绝。

3、  每个系统要有能力发现哪些是有效的请求，哪些是无效的请求。上面两个案例中，过载的系统都不具备这中慧眼，逮着请求做死的处理，雪球时其实是做无用功。

4、  前端系统有保护后端系统的义务，sla中承诺多大的能力，就只给到后端多大的压力。这就要求每一个前后端接口的地方，都有明确的负载约定，一环扣一环。

5、  当过载发生时，该拒绝的请求（1、超出整个系统处理能力范围的；2、已经超时的无效请求）越早拒绝越好。就像上海机场到市区的高速上，刚出机场就有电子公示牌显示，进入市区某某路段拥堵，请绕行。

6、  对于用户的重试行为，要适当的延缓。例如登录发现后端响应失败，再重新展现登录页面前，可以适当延时几秒钟，并展现进度条等友好界面。当多次重试还失败的情况下，要安抚用户。

7、  产品特性设计和发布上，要尽量避免某个时刻导致大量用户集体触发某些请求的设计。发布的时候注意灰度。

8、  中间层server对后端发送请求，重试机制要慎用，一定要用的话要有严格频率控制。

9、  当雪球发生了，直接清空雪球队列（例如重启进程可以清空socket 缓冲区）可能是快速恢复的有效方法。

10、过载保护很重要的一点，不是说要加强系统性能、容量，成功应答所有请求，而是保证在高压下，系统的服务能力不要陡降到0，而是顽强的对外展现最大有效处理能力。

　　对于“每个系统要有能力发现哪些是有效的请求，哪些是雪球无效的请求”，这里推荐一种方案：在该系统每个机器上新增一个进程：interface进程。Interface进程能够快速的从socket缓冲区中取得请求，打上当前时间戳，压入channel。业务处理进程从channel中获取请求和该请求的时间戳，如果发现时间戳早于当前时间减去超时时间（即已经超时，处理也没有意义），就直接丢弃该请求，或者应答一个失败报文。

　　Channel是一个先进先出的通信方式，可以是socket，也可以是共享内存、消息队列、或者管道，不限。

　　Socket缓冲区要设置合理，如果过大，导致及时interface进程都需要处理长时间才能清空该队列，就不合适了。建议的大小上限是：缓存住超时时间内interface进程能够处理掉的请求个数（注意考虑网络通讯中的元数据）。

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