Envoy 有状态会话保持机制设计与实现

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1. 问题背景

会话保持是七层负载均衡的核心功能之一。对于同一会话的请求或者连接，通过会话保持机制，负载均衡软件会将其路由到同一个后端，以利用局部性原理来提高服务整体的效率。

在传统的 LB 产品之中，会话保持能力可以说是重中之重，比如 F5 软件就提供了丰富的会话保持机制供用户选择。而在云原生的场景当中，由于更多面向无状态的服务，服务实例动态启用和销毁，会话保持能力相对而言重要性有所降低。而作为云原生边缘网络代理，Envoy 在会话保持方面自然也相对薄弱。

在开源 Envoy 当中，只提供了基于一致性哈希的会话保持机制。具体来说，Envoy 提供了一个一致性哈希负载均衡算法进行流量的负载均衡。对于一组后端服务实例，Envoy 会根据服务实例名称或者地址来计算出一个哈希环。之后，对于每一个 HTTP 请求，Envoy 都会根据请求的特征计算一个哈希值，然后根据哈希值在后端哈希环中选择一个最合适的后端实例（通过折半查找）。该会话保持机制不需要保存额外的状态，最终结果只和计算所得的哈希值以及哈希环有关。此外，天然的，该会话保持机制也可以做到跨实例会话保持，也即是当拥有多个 Envoy 实例时，请求无论是由 Envoy A 实例转发或者是 Envoy B 实例转发，最终转发到的目标服务实例都是一致的。

Envoy 支持配置从不同的请求特征中计算哈希值，比如使用特定请求头，使用源地址 IP，或者使用 cookie 等。只要后端实例保持稳定，这一机制几乎是完美的。但是，事实上，后端实例并不总能够保持稳定，而且有一些特殊的场景，基于一致性哈希的负载均衡机制也无法实现。因为基于一致性哈希的会话保持机制本质上是无状态会话保持。会话保持依赖的不是某个持续的状态值，而是算法实时计算的结果。

为了进一步的完善 Envoy 的会话保持能力，拓展 Envoy 的使用场景，比如在传统分布式系统中作为七层软负载均衡，轻舟微服务团队对 Envoy 负载均衡器做了进一步的增强，以支持有状态的会话保持机制。具体来说，有状态会话保持是为了解决以下问题：

保证当后端节点集状态发生变化时（节点被标记为 degrade 或者不健康、新增节点或者移除节点），属于已有会话的请求仍旧能够正确的路由到会话对应的节点。现有的基于一致性哈希的会话保持机制，当后端节点发生变化时，就会重新构造哈希环，导致会话保持的结果不稳定。
使得最小连接数等算法也能够具备会话保持能力。现有会话保持是构建在一致性哈希负载均衡算法的基础之上，但是如最小连接数，轮转等负载均衡算法不具备会话保持能力。
提高一致性哈希负载均衡策略的性能。一致性哈希算法通过折半查找的方法来找到合适的节点。如果使用有状态会话保持，可以有效的减少在具备大量节点时的节点搜索的开销。

目前，团队已经将整个方案的所有设计与实现均贡献给了开源 Envoy 并且完成了合入，成为了开源 Envoy 的一部分。

2. 实例管理

要实现各种各样的负载均衡算法，自然需要实现对后端实例集合的管理，在 Envoy 中，为了实现后端实例的管理，使用了一个 PrioritySet 的数据类型。其主要的特点三个：

多优先级：一个 PrioritySet 包含多个优先级的多组后端实例；
数组结构：后端实例多以数组结构组织和管理；
线程隔离：每个线程中都有独立的 PrioritySet；

而要实现有状态会话保持，首先，必须要提供快速的实例搜索能力，这是开源 PrioritySet 并不具备的。为此，数据面扩展增强了 PrioritySet，在其中实现了一个以实例地址为 Key 的 HostMap，来提供跨优先级的快速搜索能力。

同时，为了尽可能的减小该项增强带来的额外内存开销，HostMap 在各个线程的 PrioritySet 中共享。但是需要注意到，Envoy 特色功能之一就是可以动态更新后端实例列表，所以这个 HostMap 也需要更新（更新都在主线程中）并且面临线程安全问题。

一般来说，面对此类一写多读的数据更新，一个读写锁是一个不错的选择。但是在有状态会话保持中，HostMap 的搜索是高频操作，每个请求都是至少操作一次。而实例表更新则是一个相对来说非常低频的操作。为了一个低频的实例更新，而在每次请求中都引入一次读锁的开销，对于高性能网络代理来说，是很难让人接受的。所以为此需要设计一套机制来保证线程安全的实例更新的同时，保证搜索的无锁和高性能。

该机制简单原理如上所示，当需要更新实例表时，Envoy 会从已有的 HostMap 中创建一份拷贝，所有更新都在新的拷贝进行，而不是直接修改已有 HostMap，这样避免了已有的 HostMap 在多线程上读写的冲突。（当然，这并非毫无代价，每次更新都需要拷贝一次 HostMap，以主线程的拷贝开销换取工作现场的无锁操作）

在更新完成之后，需要将最终更新就绪的 HostMap 同步到工作线程中去时，再 commit 拷贝出来的 HostMap，并向各个工作线程推送一个更新事件，最终完成整个实例表以及 HostMap 更新。

3. 会话状态

在完成第 2 小节中的实例管理机制增强之后，就为有状态会话保持提供了一个基础。另一个需要解决的问题是会话状态的保存。

第一种典型的方案是使用 HTTP Cookie 来保存会话状态。具体来说，用户可以指定一个特殊的 Cookie 名称。对于每一个请求，如果包含指定的 Cookie，则从 Cookie 中解析出目标实例的地址，并且根据地址检索目标实例。如果不存在对应的 Cookie 或者 Cookie 中地址不存在对应目标实例，则根据负载均衡算法选择一个后端实例，并且将该后端实例的地址通过 Set-Cookie 添加到响应中。

该方案简单有效，而且最重的是 Envoy 将会话状态保存的责任转嫁给了客户端，保持了自身的无状态。这样做不但使得实现上更为简单，最重要的是，该方案天然的支持跨实例的会话保持。也即是说，当存在多个 Envoy 实例时，请求无论在 Envoy A 或者 Envoy B 上被处理，都不影响会话保持的结果。不过这个方案，也有它的缺陷。它的灵活性相对较弱。对于每个没有有效指定 Cookie 的新请求，Envoy 都会为它添加对应的 Cookie 并将之作为一个新的会话处理。它无法更加灵活的使用请求源 IP、请求头等信息来作为识别会话的特征。

为此，数据面提出了另一种基于存储/缓存的方案作为上一方案的补充。该方案会根据请求指定的特征（如源 IP、请求头等）计算特征值，并且保存特征值和目标实例的映射（内存缓存 + 中心缓存）。如此，就可以实现根据任意的请求特征来作为会话保持的依据。

不难发现第二个方案和第一个方案在流程处理上几乎完全一致。唯一的不同在于“有状态会话保持”中的状态由谁来保存的问题。在第二个方案中，带来了更好的灵活性，状态的保持需要 Envoy/数据面自身来处理。

4. 负载交互

在第 2 小节中，接入了如何设计一个安全、高效的 HostMap 来管理后端实例表并且实现实例的快速搜索。在第 3 小节中，介绍了如果维护会话状态，实现会话状态的保存和提取。

但是如何在请求路由转发的过程中，将会话状态和 Host 搜索选择结合到一起，则是第三个问题。在 Envoy 当中，相比于极端的高性能，更加看重模块化、易测试等特点。在具体的实现当中，会话状态的保存是在代理协议的 L4 Filter 内部实现的。以 HTTP 协议为例，会话状态需要靠 HTTP Connection Manager 这个 L4 Filter 来实现（其中内嵌的 HTTP L7 Filter 当作整个 L4 Filter 的一部分）。而后端实例、负载均衡、HostMap 等则是由 Upstrem 模块实现和管理。两者之间仅仅通过 LoadBalancerContext 接口进行交互。为此，需要拓展 LoadBalancerContext 接口，允许 L4 Filter 通过 LoadBalancerContext 向 Upstream 传递会话状态。而 Upstream 则根据会话状态优先选择目标实例。如果会话状态无效，则正常的根据负载均衡算法选择后端实例。具体的扩展接口设计如下：

class LoadBalancerContext {
public:
  // ......
  using OverrideHost = absl::string_view;
  /**
   * Returns the host the load balancer should select directly. If the expected host exists and
   * the host can be selected directly, the load balancer can bypass the load balancing algorithm
   * and return the corresponding host directly.
   */
  virtual absl::optional<OverrideHost> overrideHostToSelect() const PURE;
};

此外，轻舟还对 HTTP Connection Manager 暴露给 L7 Filter 的 API 做了增强，允许开发通过编写简单的 HTTP Filter 来设置 override host，让开发者可以根据自身的需要对负载均衡结果做更灵活的控制。

class StreamDecoderFilterCallbacks : public virtual StreamFilterCallbacks {
public:
  // ......

  /**
  * Set override host to be used by the upstream load balancing. If the target host
  * exists in the host list of the routed cluster, the host should be selected
  * first.
  * @param host The override host address.
  */
  virtual void setUpstreamOverrideHost(absl::string_view host) PURE;

  /**
  * @return absl::optional<absl::string_view> optional override host for the
  * upstream load balancing.
  */
  virtual absl::optional<absl::string_view> upstreamOverrideHost() const PURE;
};

5. API 设计

最后一部分是数据面 Envoy 向上层控制面暴露的 API，使得控制面可以对有状态会话保持功能进行控制。它包括 HTTP 扩展和服务级别负载均衡配置两部分。

在 HTTP 扩展中，添加了一个额外的 HTTP Filter，来根据具体的有状态会话保持实现来提取目标实例，比如 cookie 实现就会从指定 cookie 中获取目标实例地址（当然，因为 HTTP Connection Manager 本身也已经做了增强，完全从头开发新的 HTTP 扩展想来也是轻而易举之事）。

message StatefulSession {
  // Specific implementation of session state. This session state will be used to store and
  // get address of the upstream host to which the session is assigned.
  //
  // [#extension-category: envoy.http.stateful_session]
  config.core.v3.TypedExtensionConfig session_state = 1;
}

message CookieBasedSessionState {
  // The cookie configuration used to track session state.
  type.http.v3.Cookie cookie = 1 [(validate.rules).message = {required: true}];
}

在服务均衡配置当中，提供了额外的状态限制，确保只有指定状态的示例可以通过前述的 override host 选择，假设目标实例建康状态符合预期，则认为该会话状态为有效状态，否则根据负载均衡算法重新选择目标实例并更新会话状态。如此就完成了整个方案的最后一环。

// This controls what hosts are considered valid when using
// :ref:`host overrides <arch_overview_load_balancing_override_host>`, which is used by some
// filters to modify the load balancing decision.
//
// If this is unset then [UNKNOWN, HEALTHY, DEGRADED] will be applied by default. If this is
// set with an empty set of statuses then host overrides will be ignored by the load balancing.
core.v3.HealthStatusSet override_host_status = 8;

6. 全文小结

整个有状态会话保持机制主要分为三个部分，分别是：在 Upstream 模块中实现线程安全的高性能 HostMap 以便于快速的实例搜索以及实例状态限制；在 L4/L7 Filter 中实现会话状态的记录、提取，且提供了非常良好的扩展性，且支持多种有状态会话实现；扩展 LoadBalancerContext 以实现两个模块交互上下游模块交互，允许 Filter 指定目标实例覆盖负载均衡结果。

Envoy 有状态会话保持机制弥补了 Envoy 在会话保持机制方面相对薄弱的缺陷。解决了在部分传统场景下 Envoy 的短板。而且，目前轻舟微服务团队已经将整个有状态会话保持机制都贡献给了 Envoy 开源社区，并持续维护。有兴趣或者有这方面需求的同学可以直接使用，如果其中有不足之处，也可以直接向社区反馈 :)。

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