真刀真枪压测：基于TCPCopy的仿真压测方案

郑昀 基于刘勤红和石雍志的实践报告 创建于2015/8/13 最后更新于2015/8/19
关键词：压测、TCPCopy、仿真测试、实时拷贝流量
本文档适用人员：技术人员
提纲：
  1. 为什么要做仿真测试
  2. TCPCopy是如何工作的
  3. 实作：仿真测试的拓扑
  4. 实作：操作步骤
  5. 可能会遇到的问题
    1. ip_conntrack
    2. 少量丢包
    3. 离线重放
    4. 不提取7层信息
  6. 观测的性能指标
0x00，为什么要做仿真测试
线下的传统压力测试，难以模拟真实流量，尤其难以模拟正常流量混杂着各色异常流量。所以，线下压得好好的系统，上线后可能某天突然雪崩，说好能支撑 5 倍流量的系统重构，也许流量一翻倍就彻底挂了。
但办法总比问题多。
系统重构或重要变更上线前，可以拷贝线上真实流量，实时模拟线上流量，甚至可以放大真实流量，进行压力测试，以评估系统承载能力。
反过来也可以这样，如果线上跑着跑着发现有性能瓶颈，但线下环境难以复现，还不如把真实流量拷贝到线下重放，毕竟线下环境便于上各种排查手段，重放几遍都行，直到找到问题。
所以本次基于 Varnish 的商品详情页静态化在上线前，做了仿真压测。
 
如何实时拷贝线上真实流量呢？
TCPCopy。

2010年，网易技术部的王斌在王波的工作基础上开发了 TCPCopy - A TCP Stream Replay Tool。2011年9月开源。当前版本号是 1.0.0。很多公司的模拟在线测试都是基于 TCPCopy 做的，如一淘。

TCPCopy 是一种请求复制（复制基于 TCP 的 packets）工具 ，通过复制在线数据包，修改 TCP/IP 头部信息，发送给测试服务器，达到欺骗测试服务器的TCP 程序的目的，从而为欺骗上层应用打下坚实基础。
 
0x01，TCPCopy是如何工作的
王斌讲过，基于 Server 的请求回放领域，一般分为离线回放和在线实时复制两种。
其中请求实时复制，一般可以分为两类：
1）基于应用层的请求复制 ，
2）基于底层数据包的请求复制。
 
如果从应用层面进行复制，比如基于服务器的请求复制，实现起来相对简单，但也存在着若干缺点：
1）请求复制从应用层出发，穿透整个协议栈，这样就容易挤占应用的资源，比如宝贵的连接资源 ，
2）测试跟实际应用耦合在一起，容易影响在线系统，
3）也因此很难支撑压力大的请求复制，
4）很难控制网络延迟。
而基于底层数据包的请求复制，可以做到无需穿透整个协议栈，路程最短的，可以从数据链路层抓请求包，从数据链路层发包，路程一般的，可以在IP层抓请求包，从IP层发出去，不管怎么走，只要不走TCP，对在线的影响就会小得多。这也就是 TCPCopy 的基本思路。
 
从传统架构的 rawsocket+iptable+netlink，到新架构的 pacp+route，它经历了三次架构调整，现如今的 TCPCopy 分为三个角色：
  • Online Server(OS)：上面要部署 TCPCopy，从数据链路层(pcap 接口)抓请求数据包，发包是从IP层发出去；
  • Test Server(TS)：最新的架构调整把 intercept 的工作从 TS 中 offload 出来。TS 设置路由信息，把 被测应用 的需要被捕获的响应数据包信息路由到 AS；
  • Assistant Server(AS)：这是一台独立的辅助服务器，原则上一定要用同网段的一台闲置服务器来充当辅助服务器。AS 在数据链路层截获到响应包，从中抽取出有用的信息，再返回给相应的 OS 上的 tcpcopy 进程。
 
请配合下图1理解：
图1 三个角色的数据流转方式
 
Online Server 上的抓包：
tcpcopy 的新架构在 OS 上抓请求数据包默认采用 raw socket input 接口抓包。王斌则推荐采用 pcap 抓包，安装命令如下： 
./configure --enable-advanced --enable-pcap
　　make
　　make install
这样就可以在内核态进行过滤，否则只能在用户态进行包的过滤，而且在 intercept 端或者 tcpcopy 端设置 filter（通过 -F 参数，类似 tcpdump 的 filter），达到起多个实例来共同完成抓包的工作，这样可扩展性就更强，适合于超级高并发的场合。

为了便于理解 pcap 抓包，下面简单描述一下 libpcap 的工作原理。

一个包的捕捉分为三个主要部分：

  1. 面向底层包捕获，
  2. 面向中间层的数据包过滤，
  3. 面向应用层的用户接口。

 

这与 Linux 操作系统对数据包的处理流程是相同的（网卡->网卡驱动->数据链路层->IP层->传输层->应用程序）。包捕获机制是在数据链路层增加一个旁路处理（并不干扰系统自身的网络协议栈的处理），对发送和接收的数据包通过Linux内核做过滤和缓冲处理，最后直接传递给上层应用程序。如下图2所示：

libpcap的三部分

图2 libpcap的三部分
 
Online Server 上的发包：
如图1所示，新架构和传统架构一样，OS 默认使用 raw socket output 接口发包，此时发包命令如下： 
./tcpcopy -x 80-测试机IP:测试机应用端口 -s 服务器IP -i eth0
其中 -i 参数指定 pcap 从哪个网卡抓取请求包。
此外，新架构还支持通过 pcap_inject（编译时候增加--enable-dlinject）来发包。
 
Test Server 上的响应包路由：
需要在 Test Server 上添加静态路由，确保被测试应用程序的响应包路由到辅助测试服务器，而不是回包给 Online Server。
 
Assistant Server 上的捕获响应包：
辅助服务器要确保没有开启路由模式 cat /proc/sys/net/ipv4/ip_forward，为0表示没有开启。
辅助服务器上的 intercept 进程通过 pcap 抓取测试机应用程序的响应包，将头部抽取后发送给 Online Server 上的 tcpcopy 进程，从而完成一次请求的复制。
 
0x02，实作：仿真测试的拓扑
下面将列出本次仿真测试的线上环境拓扑图。
环境如下：
  • Online Server
    • 4个生产环境 Nginx
      • 172.16.***.110
      • 172.16.***.111
      • 172.16.***.112
      • 172.16.***.113
  • Test Server
    • 一个镜像环境的 Nginx
      • 172.16.***.52
  • Assistant Server
    • 镜像环境里的一台独立服务器
      • 172.16.***.53
拓扑如图3所示：
压测环境拓扑
图3 压测环境拓扑
它的数据流转顺序如下图4所示：
压测环境的数据流转顺序
图4 压测环境的数据流转顺序
 
0x03，实作：操作步骤
下面分别列出在 Online Server/Test Server/Assistant Server 上的操作步骤。
3.1 Online Server 上的操作：
下载并安装 tcpcopy 客户端；
git clone http://github.com/session-replay-tools/tcpcopy
./configure
make && make install
  
安装完成后的各结构目录：
Configuration summary
 
  tcpcopy path prefix: "/usr/local/tcpcopy"
  tcpcopy binary file: "/usr/local/tcpcopy/sbin/tcpcopy"
  tcpcopy configuration prefix: "/usr/local/tcpcopy/conf"
  tcpcopy configuration file: "/usr/local/tcpcopy/conf/plugin.conf"
  tcpcopy pid file: "/usr/local/tcpcopy/logs/tcpcopy.pid"
  tcpcopy error log file: "/usr/local/tcpcopy/logs/error_tcpcopy.log"
  
运行 tcpcopy 客户端，有几种可选方式：
./tcpcopy -x 80-172.16.***.52:80 -s 172.16.***.53 -d       #全流量复制
./tcpcopy -x 80-172.16.***.52:80 -s 172.16.***.53 -r 20 -d  #复制20%的流量
./tcpcopy -x 80-172.16.***.52:80 -s 172.16.***.53 -n 2 -d    #放大2倍流量
 
3.2 Test Server 上的操作：
添加静态路由：
route add -net 0.0.0.0/0 gw 172.16.***.53
 
3.3 Assistant Server 上的操作：
下载并安装 intercept 服务端；
git clone http://github.com/session-replay-tools/intercept
./configure
make && make install
 
安装完成后的各结构目录：
Configuration summary
  intercept path prefix: "/usr/local/intercept"
  intercept binary file: "/usr/local/intercept/sbin/intercept"
  intercept configuration prefix: "/usr/local"
  intercept configuration file: "/usr/local/intercept/"
  intercept pid file: "/usr/local/intercept/logs/intercept.pid"
  intercept error log file: "/usr/local/intercept/logs/error_intercept.log"
 
运行 intercept 服务端；
./intercept -i eth0 -F 'tcp and src port 80' -d
 
生产环境和镜像环境数据传输流程图
图5 生产环境和镜像环境数据传输流程图
对照上图5，再简单解释一下工作原理：
  1. TCPcopy 从数据链路层 copy 端口请求，然后更改目的 ip 和目的端口。
  2. 将修改过的数据包传送给数据链路层，并且保持 tcp 连接请求。
  3. 通过数据链路层从 online server 发送到 test server。
  4. 在数据链路层解封装后到达 nginx 响应的服务端口。
  5. 等用户请求的数据返回结果后，回包走数据链路层。
  6. 通过数据链路层将返回的结果从 test server 发送到 assistant server。注：test server 只有一条默认路由指向 assistant server。
  7. 数据到达 assistant server 后被 intercept 进程截获。
  8. 过滤相关信息将请求状态发送给 online server 的 tcpcopy，关闭 tcp 连接。
0x04，可能会遇到的问题
王斌自己讲：要想用好 tcpcopy，需要熟悉系统知识，包括如何高效率抓包，如何定位系统瓶颈，如何部署测试应用系统，如何抓包分析。常见问题有：1）部署测试系统不到位，耦合线上系统，2）忽视系统瓶颈问题，3）不知道如何定位问题，4）资源不到位，资源紧张引发的问题 。
 
1）ip_conntrack
2014年6月，微博的唐福林曾说：“Tcpcopy 引流工具是线上问题排查的绝佳之选，但使用者很少有人去关注开启 tcpcopy 服务时，同时会开启 ip_conntrack 内核模块，这个模块负责追踪所有 tcp 链接的状态，而且它的内部存储有长度限制，一旦超过，所有新建链接都会失败。”
王斌则回应说：“开启 tcpcopy，自身不会去开启 ip_conntrack 内核模块。开不开启 ip_conntrack 内核模块，是用户自己决定的，跟 tcpcopy 没关系。”他还建议：“当连接数量非常多的时候，本身就应该关闭 ip_conntrack，否则严重影响性能。至于 tcpcopy，默认是从 ip 层发包的，所以也会被 ip_conntrack 干涉，文档中也有描述，其实也可以采用 --enable-dlinject 来发包，避开ip层的ip_conntrack。如果没有报“ip_conntrack: table full, dropping packet”，一般无需去操心ip_conntrack。”以及“线上连接不多的场合，开启 ip_conntrack 并没有问题。线上连接比较多的场合，最好关闭 ip_conntrack，或者对线上应用系统端口设置 NOTRACK，至少我周围的系统都是这样的，这是为性能考虑，也是一种好的运维习惯。”
 
2）少量丢包
如何发现 TCPCopy 丢包多还是少呢？
王斌自己称，在某些场景下，pcap 抓包丢包率会远高于 raw socket 抓包，因此最好利用 pf_ring 来辅助或者采用 raw socket 来抓包。
丢包率需要在测试环境中按照定量请求发送进行对比才能展开计算，另外还需要对日志内容进行分析，有待测试。
 

3）离线重放

tcpcopy 有两种工作模式：
1）实时拷贝数据包；
2）通过使用 tcpdump 等抓包生成的文件进行离线（offline）请求重放。
本次仿真测试，没有试验成功第二种工作模式，留待以后进一步研究。
 
4）不提取 7 层信息
会议上曾提出按域名区分拷贝流量，省得把不在本次压测范围内的工程打挂，但 tcpcopy 的原理是在 ip 层拷贝，不提取 7 层的信息，也就是说，在我们的 Nginx*4 上部署 TCPCopy，只能是将所有流量拷贝到镜像环境的 Nginx 上。反正没有配置对应的 server，或者 server 停掉，这种处理不了的流量就丢弃掉。
 
0x05，观测的性能指标
仿真压测时，需要记录下 Test Server 以及后端各种被压工程的性能指标。
本次压测，我们记录的指标有：
  • Java 工程的访问次数，响应时间，平均响应时间，调用成功或失败，Web端口连接数；
  • Web容器的 thread、memory 等情况；
  • 虚拟机的 CPU-usage、Load-avg、io-usage 等；
  • memcached/redis 等缓存集群的命中率等；
参考资源：
4，2013，tcpcopy架构漫谈；
 
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posted @ 2015-08-25 19:48  老兵笔记  阅读(28624)  评论(1)  编辑  收藏  举报