黑科技解密！实现socket进程间迁移！

2021-07-29 11:10:19 浏览数 (1)

今天介绍一个可以拿出去吹牛的功能：实现socket句柄在进程之间迁移！为了这篇文章，xjjdog可算下了苦功夫，半夜还在翻资料。因为需要验证后，才能证明这项技术确实是正确的。

正文

我们的服务器上，运行着大量的server实例（instance）。这些instance，每个都要承载着数十万的连接和非常繁忙的网络请求。能够把这样的连接数，这样的流量，玩弄于股掌之间，是每个互联网程序员的梦想。

但软件总是要升级的，每当升级的时候，就需要先停掉原来的instance，然后再启动一个新的。在这一停一起之间，数十秒就过去了，更不要说JAVA这种启动时间就能生个孩子的速度了。

传统的做法，是先把这个instance从负载均衡上面摘除，然后启动起来再加上；对于微服务来说，就要先隔离，然后启动后再取消隔离。这些操作，对于海量应用来说，就是个噩梦。

1. 零停机更新

有没有一种方法，能够把一个进程所挂载的连接（socket），转移到另外一个进程之上呢？这样，我在升级的时候，就可可以先启动一个升级版本的进程，然后把老进程的socket，one by one的给转移过去。

实现零停机更新。

这个是可以的。Facebook就实践过类似的技术，它们把这项技术，叫做Socket Takeover。千万别用百度搜这个关键字，你得到的可能是一堆垃圾。

这么牛x的技术，还这么有用，为什么就没人科普呢？别问我，我也不知道，可能大家现在都在纠结怎么研究茴香豆的茴字写法，没时间干正事吧。

那今天就由xjjdog来介绍一下吧，顺便增加一下大家以后的吹牛资本。

这个牛x的功能，是由Linux一对底层的系统调用函数所实现的：sendmsg()和recvmsg()。我们一般在发送网络数据包的时候，一般会使用send函数，但send函数只有在socket处于连接状态时才可以使用；与之不同的是，sendmsg在任何时候都可以使用。

2. 技术要点

在c语言网络编程中，首先要通过listen函数，来注册监听地址，然后再用accept函数接收新连接。比如：

代码语言：javascript复制
int listen_fd = socket(addr->ss_family, SOCK_STREAM, 0);
...
bind(listen_fd, (struct sockaddr *) addr, addrlen);
...
int accept_fd = accept(fd, (struct sockaddr *) &addr, &addrlen);

我们首先要做的，就是把listen_fd，从一个进程，传递到另外一个进程中去。怎么发送呢？肯定是要通过一个通道的。在Linux上，那就是UDS，全称Unix Domain Sockets。

2.1 Unix Domain Sockets监听

UDS（Unix Domain Sockets）在Linux上的表现，是一个文件。相比较于普通socket监听在端口上，一个进程也可以监听在一个UDS文件上，比如/tmp/xjjdog.sock。由于通过这个文件进行数据传输，并不需要走网卡等物理设备，所以通过UDS传输数据，速度是非常快的。

但今天我们不关心它有多块，而是关心它多有用。通过bind函数，我们同样可以通过这个文件接收连接，就像端口接收连接一样。

代码语言：javascript复制
struct sockaddr_un addr;
char *path="/tmp/xjjdog.sock";
int err, fd;
fd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);
memset(&addr, 0, sizeof(struct sockaddr_un));
addr.sun_family = AF_UNIX;
strncpy(addr.sun_path, path, strlen(path));
addrlen = sizeof(addr.sun_family)   strlen(path);
err = bind(fd, (struct sockaddr *) &addr, addrlen);
...
accept_fd = accept(fd, (struct sockaddr *) &addr, &addrlen);

这样。其他的进程，就可以通过两种不同的方式，来连接我们的服务。

  1. 通过端口：进行正常的服务，输出正常的业务数据。执行正常业务
  2. 通过UDS：开始接收listen_fd和accept_fd们。执行不停机迁移socket业务

2.2 fd迁移技术要点

怎么迁移呢？我们关键看第二步。

实际上，当新升级的服务通过UDS连接上来，我们就开始使用sendmsg函数，将listen_fd给转移过去。

我们来看一下sendmsg这个函数的参数。

代码语言：javascript复制
ssize_t sendmsg(
    int socket,
    const struct msghdr *message,
    int flags
);

socket可以理解为我们的UDS连接。关键在于msghdr这个结构体。

代码语言：javascript复制
struct msghdr {
    void            *msg_name;      /* optional address */
    socklen_t       msg_namelen;    /* size of address */
    struct          iovec *msg_iov; /* scatter/gather array */
    int             msg_iovlen;     /* # elements in msg_iov */
    void            *msg_control;   /* ancillary data, see below */
    socklen_t       msg_controllen; /* ancillary data buffer len */
    int             msg_flags;      /* flags on received message */
};

其中， msg_iov表示要正常发送的数据，比如HelloWord；除此之外，还有两个ancillary (附属的) 的变量，提供了附加的功能，那就是变量msg_control和msg_controllen。其中，msg_control又指向了另外一个结构体cmsghdr。

代码语言：javascript复制
struct cmsghdr {
    socklen_t cmsg_len;    /* data byte count, including header */
    int       cmsg_level;  /* originating protocol */
    int       cmsg_type;   /* protocol-specific type */
    /* followed by */
    unsigned char cmsg_data[];
};

在这个结构体中，有一个叫做cmsg_type的成员变量，是我们实现socket迁移的关键。

它共有三个类型。

  • SCM_RIGHTS
  • SCM_CREDENTIALS
  • SCM_SECURITY

其中，SCM_RIGHTS就是我们所需要的，它允许我们从一个进程，发送一个文件句柄到另外一个进程。

代码语言：javascript复制
struct msghdr msg;
...
struct cmsghdr *cmsg = CMSG_FIRSTHDR(&msg);
cmsg->cmsg_level = SOL_SOCKET;
cmsg->cmsg_type = SCM_RIGHTS;

//socket fd列表，设置在cmsg_data上
int *fds = (int *) CMSG_DATA(cmsg);

依靠sendmsg函数，socket句柄就发送到另外一个进程了。

3. 接收和还原

同样的，recvmsg函数，将会接收这部分数据，然后将其还原成cmsghdr结构体。然后我们就可以从cmsg_data中获取句柄列表。

为什么能这么做呢？因为socket句柄，在某个进程里，其实只是一个引用。真正的fd句柄，其实是放在内核中的。所谓的迁移，只不过是把一个指针，从一个进程中去掉，再加到另外一个进程中罢了。

fd句柄的属性，有两种情况。

  • 监听fd，直接调用accept函数作用在fd上即可
  • 普通fd，需要将其还原成正常的socket

图片来自论文：(Zero Downtime Release: Disruption-free Load Balancing of a Multi-Billion User Website)

对于普通fd，肯定要调用与原新连接到来时相同的代码逻辑。所以，一个大体的迁移过程，包括：

  1. 首先迁移listener fd到新进程，并开启监听，以便新进程能快速接收新的请求。如果我们开启了SO_REUSEADDR选项，新老服务甚至能够一起进行服务
  2. 等待新进程预热之后，停掉原进程的监听
  3. 迁移原老进程中的大量socket，这些socket可能有数万条，最好编码能看到迁移进度
  4. 新进程接收到这些socket，陆续将其还原为正常的连接。相当于略过了accept阶段，直接就获取了socket列表
  5. 迁移完毕，老进程就空转了，此时可以安全的停掉

4. End

这是一项黑科技，其实已经在一些主流的应用中使用了。你会看到一些非常眼熟的软件，这项功能是它们的一大卖点。比如HAProxy，运行在4层网络的负载均衡；比如Envoy，Istio默认的数据平面软件，使用类似的技术完成热重启。

其实，在servicemesh的推进过程中，proxy的替换，也会使用类似的技术，比如SOFA。对于golang和C语言来说，由于API暴露的比较好，这种功能可以很容易的实现；但在Java中，却有不少的困难，因为Java的跨平台特性不会做这种为Linux定制的API。

可以看到，sendmsg和recvmsg这两个函数，可以实现的功能非常的酷。它比较适合无状态的proxy服务，如果服务内有状态存留，这种迁移并不见得安全，当然也可以尝试把此项技术运用在一些中间件上。但无论如何，这种黑科技，有一种别样的暴力美，肯定会把windows server用户给馋哭的。

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