谈京东京麦TCP网关的Netty应用实践

Posted 2021-04-30 松然聊技术

张松然，京东商城，商家研发部架构师。丰富的构建高性能高可用大规模分布式系统的研发、架构经验。2013年加入京东，目前负责京麦服务网关的系统研发工作。

京麦从2014年构建网关，从HTTP网关发展到TCP网关。在2016年重构完成基于Netty4.x+Protobuf3.x实现对接PC和App上下行通信的高可用、高性能、高稳定的TCP长连接网关。本文重点介绍京麦TCP网关的背景、架构及Netty的应用实践。

背景

早期京麦搭建HTTP和TCP长连接功能主要用于消息通知的推送，并未应用于API网关。随着逐步对NIO的深入学习和对Netty框架的了解，以及对系统通信稳定能力的愈加高要求，采用NIO技术应用网关实现API请求调用的想法，最终在2016年实现，并完全支撑业务化运行。由于诸多的改进，包括TCP长连接容器、Protobuf的序列化、服务泛化调用框架等等，性能比HTTP网关提升10倍以上，稳定性也远远高于HTTP网关。

架构

基于Netty构建京麦TCP网关的长连接容器，作为网关接入层提供服务API请求调用。

一、网络结构

客户端通过域名+端口访问TCP网关，域名不同的运营商对应不同的VIP，VIP发布在LVS上，LVS将请求转发给后端的HAProxy，再由HAProxy把请求转发给后端的Netty的IP+Port。

LVS转发给后端的HAProxy，请求经过LVS，但是响应是HAProxy直接反馈给客户端的，这也就是LVS的DR模式。

二、TCP网关长连接容器架构

TCP网关的核心组件是Netty，而Netty的NIO模型是Reactor反应堆模型（Reactor相当于有分发功能的多路复用器Selector）。每一个连接对应一个Channel（多路指多个Channel，复用指多个连接复用了一个线程或少量线程，在Netty指EventLoop），一个Channel对应唯一的ChannelPipeline，多个Handler串行的加入到Pipeline中，每个Handler关联唯一的ChannelHandlerContext。

TCP网关长连接容器的Handler就是放在Pipeline的中。我们知道TCP属于OSI的传输层，所以建立Session管理机制构建会话层来提供应用层服务，可以极大的降低系统复杂度。所以，每一个Channel对应一个Connection，一个Connection又对应一个Session，Session由Session Manager管理，Session与Connection是一一对应，Connection保存着ChannelHandlerContext（ChannelHanderContext可以找到Channel），Session通过心跳机制来保持Channel的Active状态。

每一次Session的会话请求（ChannelRead）都是通过Proxy代理机制调用Service层，数据请求完毕后通过写入ChannelHandlerConext再传送到Channel中。数据下行主动推送也是如此，通过Session Manager找到Active的Session，轮询写入Session中的ChannelHandlerContext，就可以实现广播或点对点的数据推送逻辑。

Netty的应用实践

京麦TCP网关使用Netty Channel进行数据通信，使用Protobuf进行序列化和反序列化，每个请求都将被封装成Byte二进制字节流，在整个生命周期中，Channel保持长连接，而不是每次调用都重新创建Channel，达到链接的复用。

一、TCP网关Netty Server的IO模型

1. 创建ServerBootstrap，设定BossGroup与WorkerGroup线程池。

2. bind指定的port，开始侦听和接受客户端链接。（如果系统只有一个服务端port需要监听，则BossGroup线程组线程数设置为1。）

3. 在ChannelPipeline注册childHandler，用来处理客户端链接中的请求帧。 

二、TCP网关的线程模型

TCP网关使用Netty的线程池，共三组线程池，分别为BossGroup、WorkerGroup和ExecutorGroup。其中，BossGroup用于接收客户端的TCP连接，WorkerGroup用于处理I/O、执行系统Task和定时任务，ExecutorGroup用于处理网关业务加解密、限流、路由，及将请求转发给后端的抓取服务等业务操作。

NioEventLoop是Netty的Reactor线程，其角色：

1. Boss Group：作为服务端Acceptor线程，用于accept客户端链接，并转发给WorkerGroup中的线程。

2. Worker Group：作为IO线程，负责IO的读写，从SocketChannel中读取报文或向SocketChannel写入报文。

3. Task Queue／Delay Task Queu：作为定时任务线程，执行定时任务，例如链路空闲检测和发送心跳消息等。

三、TCP网关执行时序图

其中步骤一至步骤九是Netty服务端的创建时序，步骤十至步骤十三是TCP网关容器创建的时序。

步骤一：创建ServerBootstrap实例，ServerBootstrap是Netty服务端的启动辅助类。

步骤二：设置并绑定Reactor线程池，EventLoopGroup是Netty的Reactor线程池，EventLoop负责所有注册到本线程的Channel。

步骤三：设置并绑定服务器Channel，Netty Server需要创建NioserverSocketChannel对象。

步骤四：TCP链接建立时创建ChannelPipeline，ChannelPipeline本质上是一个负责和执行ChannelHandler的职责链。

步骤五：添加并设置ChannelHandler，ChannelHandler串行的加入ChannelPipeline中。

步骤六：绑定监听端口并启动服务端，将NioServerSocketChannel注册到Selector上。

步骤七：Selector轮训，由EventLoop负责调度和执行Selector轮询操作。

步骤八：执行网络请求事件通知，轮询准备就绪的Channel，由EventLoop执行ChannelPipeline。

步骤九：执行Netty系统和业务ChannelHandler，依次调度并执行ChannelPipeline的ChannelHandler。

步骤十：通过Proxy代理调用后端服务，ChannelRead事件后，通过发射调度后端Service。

步骤十一：创建Session，Session与Connection是相互依赖关系。

步骤十二：创建Connection，Connection保存ChannelHandlerContext。

步骤十三：添加SessionListener，SessionListener监听SessionCreate和SessionDestory等事件。

四、TCP网关源码分析

1. Session管理

Session是客户端与服务端建立的一次会话链接，会话信息中保存着SessionId、连接创建时间、上次访问事件，以及Connection和SessionListener，在Connection中保存了Netty的ChannelHandlerContext上下文信息。Session会话信息会保存在SessionManager内存管理器中。

** 创建Session的源码 **

通过源码分析，如果Session已经存在销毁Session，但是这个需要特别注意，创建Session一定不要创建那些断线重连的Channel，否则会出现Channel被误销毁的问题。因为如果在已经建立Connection(1)的Channel上，再建立Connection(2)，进入session.close方法会将cxt关闭，Connection(1)和Connection(2)的Channel都将会被关闭。在断线之后再建立连接Connection(3)，由于Session是有一定延迟，Connection(3)和Connection(1/2)不是同一个，但Channel可能是同一个。

所以，如何处理是否是断线重练的Channel，具体的方法是在Channel中存入SessionId，每次事件请求判断Channel中是否存在SessionId，如果Channel中存在SessionId则判断为断线重连的Channel。

2. 心跳

心跳是用来检测保持连接的客户端是否还存活着，客户端每间隔一段时间就会发送一次心跳包上传到服务端，服务端收到心跳之后更新Session的最后访问时间。在服务端长连接会话检测通过轮询Session集合判断最后访问时间是否过期，如果过期则关闭Session和Connection，包括将其从内存中删除，同时注销Channel等。

通过源码分析，在每个Session创建成功之后，都会在Session中添加TcpHeartbeatListener这个心跳检测的监听，TcpHeartbeatListener是一个实现了SessionListener接口的守护线程，通过定时休眠轮询Sessions检查是否存在过期的Session，如果轮训出过期的Session，则关闭Session。

同时，注意到session.connect方法，在connect方法中会对Session添加的Listeners进行添加时间，它会循环调用所有Listner的sessionCreated事件，其中TcpHeartbeatListener也是在这个过程中被唤起。

3. 数据上行

数据上行特指从客户端发送数据到服务端，数据从ChannelHander的channelRead方法获取数据。数据包括创建会话、发送心跳、数据请求等。这里注意的是，channelRead的数据包括客户端主动请求服务端的数据，以及服务端下行通知客户端的返回数据，所以在处理object数据时，通过数据标识区分是请求-应答，还是通知-回复。

4. 数据下行

数据下行通过MQ广播机制到所有服务器，所有服务器收到消息后，获取当前服务器所持有的所有Session会话，进行数据广播下行通知。如果是点对点的数据推送下行，数据也是先广播到所有服务器，每天服务器判断推送的端是否是当前服务器持有的会话，如果判断消息数据中的信息是在当前服务，则进行推送，否则抛弃。

通过源码分析，数据下行则通过NotifyProxy的方式发送数据，需要注意的是Netty是NIO，如果下行通知需要获取返回值，则要将异步转同步，所以NotifyFuture是实现java.util.concurrent.Future的方法，通过设置超时时间，在channelRead获取到上行数据之后，通过seq来关联NotifyFuture的方法。

下行的数据通过TcpConnector的send方法发送，send方式则是通过ChannelHandlerContext的writeAndFlush方法写入Channel，并实现数据下行，这里需要注意的是，之前有另一种写法就是cf.await，通过阻塞的方式来判断写入是否成功，这种写法偶发出现BlockingOperationException的异常。

** 使用阻塞获取返回值的写法 **

关于BlockingOperationException的问题我在StackOverflow进行提问，非常幸运的得到了Norman Maurer（Netty的核心贡献者之一）的解答。

最终结论大致分析出，在执行write方法时，Netty会判断current thread是否就是分给该Channe的EventLoop，如果是则行线程执行IO操作，否则提交executor等待分配。当执行await方法时，会从executor里fetch出执行线程，这里就需要checkDeadLock，判断执行线程和current threads是否时同一个线程，如果是就检测为死锁抛出异常BlockingOperationException。

总结

本篇文章粗浅的向大家介绍了京麦TCP网关中使用的Netty实现长连接容器的架构，涉及TCP长连接容器搭建的关键点一一进行了阐述，以及对源码进行简单的分析。在京麦发展过程里Netty还有很多的实践应用，例如Netty4.11+HTTP2实现APNs的消息推送等等。