长连接网关技术专题(十一)：揭秘腾讯公网TGW网关系统的技术架构演进

本文由腾讯技术团队peter分享，原题“腾讯网关TGW架构演进之路”，下文进行了排版和内容优化等。

1、引言

TGW全称Tencent Gateway，是一套实现多网统一接入，支持自动负载均衡的系统， 是公司有10+年历史的网关，因此TGW也被称为公司公网的桥头堡。本文从腾讯公网TGW网关系统的应用场景、背景需求讲起，重点解析了从山海1.0架构到山海2.0架构需要解决的问题和架构规划与设计实现，以及对于未来TGW山海网关的发展和演进方向。

 
技术交流：

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2、专题目录

本文是专题系列文章的第11篇，总目录如下：
《长连接网关技术专题(一)：京东京麦的生产级TCP网关技术实践总结》《长连接网关技术专题(二)：知乎千万级并发的高性能长连接网关技术实践》
《长连接网关技术专题(三)：手淘亿级移动端接入层网关的技术演进之路》
《长连接网关技术专题(四)：爱奇艺WebSocket实时推送网关技术实践》
《长连接网关技术专题(五)：喜马拉雅自研亿级API网关技术实践》
《长连接网关技术专题(六)：石墨文档单机50万WebSocket长连接架构实践》
《长连接网关技术专题(七)：小米小爱单机120万长连接接入层的架构演进》
《长连接网关技术专题(八)：B站基于微服务的API网关从0到1的演进之路》
《长连接网关技术专题(九)：去哪儿网酒店高性能业务网关技术实践》《长连接网关技术专题(十)：百度基于Go的千万级统一长连接服务架构实践》
《长连接网关技术专题(十一)：揭秘腾讯公网TGW网关系统的技术架构演进》（* 本文）

3、TGW网关系统的重要性

TGW全称Tencent Gateway，是一套实现多网统一接入、支持自动负载均衡的系统， 是公司有10+年历史的网关，因此TGW也被称为公司公网的桥头堡。它对外连接了各大运营商并支撑公有云上EIP、CLB等产品功能，对内提供了公网网络的接入功能，如为游戏、微信等业务提供公网接入服务。
TGW主要有两大产品：
1）弹性EIP（比如购买一台虚拟机CVM或是一个NAT实例后，通过EIP连通外网）；
2）四层CLB。
四层CLB一般分为内网CLB和外网CLB：
1）内网CLB是在vpc内创建一个CLB实例，把多个CVM服务挂在了内网CLB上，为后端RS提供负载均衡的能力；
2）外网CLB面对的是公网侧负载均衡的需求。当在内部部署CLB集群时，可分为IPV4或者IPV6两大类，根据物理网络类型又细分为BGP和三网两类。三网指这些IP地址是静态的，不像BGP一样能够在多个运营商之间同时进行广播。以上就是四层TGW产品及功能，山海网关在原有产品基础上做了网络架构方面的演进。

4、Region EIP的引入

具体介绍下EIP和CLB两个产品。

过去CLB和EIP使用不同的IP地址池，导致资源池上的隔离问题。使得我们无法把EIP地址绑定到公有云CLB实例上。例如：一个创业公司最初只购买一台虚拟机并挂载一个公网EIP来提供服务。随着用户量的增长，如果想将这个EIP地址迁移到一个公网CLB实例上，在原有架构下是无法实现这种迁移的。此外：EIP和CLB部署在每个机房，因此在每个机房都需要建立EIP出口。但是各个机房的公网出口之间缺无法相互容灾。
所以这种情形下，我们确定了产品的目标：
1）希望将所有公网出口整合到一到两个机房之内，以避免重复建设，节省成本；
2）通过将出口集中，我们可以将对应的网关服务器也进行集中，进而提高设备的利用率；
3）通过这样的布局可实现跨机房的容灾方案。

因此：最早的Region EIP（REIP）计划应运而生。以北京这类大型region为例的：我们将EIP专区建设到位于两个城市的超核机房。这两个机房通常会放置物理网络的交换设备，并为各自设立了一个REIP专区。在REIP专区内部署Region EIP集群。为了实现跨AZ容灾，两个机房的集群之间借助大小网段实现互相备份容灾的能力。一旦其中一个机房的集群发生故障或出现网络问题，另一个机房的集群可以立即承担起容灾任务。同时：因为新的Region EIP的网络架构跟原来的网络架构不一样，通过网络架构升级以及机型升级，我们能够把单台Region EIP的性能做到原有单台EIP性能的5倍。这样我们通过容量的提升进一步提升了设备利用率，在完成全量Region EIP后，设备数量会从3000+台缩减至700+台。同时原有的CLB集群还保留在各个机房不变，这些CLB集群的外网接入能力由Region EIP承担。

5、公网CLB的演进

5.1概述

公网CLB最早是有公网接入能力的。引入到Region EIP之后，当初设想是公网CLB不再演进，尽量让存量用户迁移到另外一种形式，上层是Region EIP，下层是内网CLB。用户先买一个内网CLB，如果需要对公网提供服务就再买一个弹性EIP，把EIP跟内网CLB绑定在一起，提供CLB公网的能力，替代原有的公网CLB，这是最早公网CLB的替代方案。两个方案的区别是：原有公网CLB，用户仅看到一个CLB实例。新的模式下，用户看到的是两个实例：一个EIP+一个内网CLB，两个实例都可以独立运营管理。这就是我们最早的两层架构设想，想把公网CLB跟外网解耦。但是，真正去跟用户或产品交流时，这个想法遇到了比较大的挑战：
1）用户体验的改变：以前公网CLB用户看到是一个实例，但是现在用户看到两个实例，必然会给用户带来一些适配工作。比如用户进行创建、管理实例时，API不一样了。以前使用通过自动化脚本创建公网CLB实例的，现在脚本还要改变去适配新的API。
2）用户习惯改变：以前用户习惯在一个实例下，点击页面，就能够查看流量、链接数等监控信息。现在EIP流量需要到REIP查看，而链接数还需在CLB产品上看。
3）存量客户无法迁移：原来客户买的公网CLB实例，是无法直接无感知迁移到内网CLB+REIP这种新形式的。在这些挑战下，这个替代方案没能真正落地。结合用户的要求，我们最终跟产品定下的策略是：公网CLB保持不变。原有的公网CLB继续保留，同时如果用户新增的公网CLB需求，也要继续支持。

5.2公网CLB模型

那么，公网CLB到底怎么演变？我们的初衷并不是把公网CLB这个产品摒弃掉，而是要收敛公网入口。所以我们针对这个初始需求，提出了上面这个两级架构模型。首先：用REIP将公网流量先引进来，再将这个流量通过隧道报文的形式转发给原有的公网CLB集群，这样公网CLB不需要原有外网接入的能力，不需要再跟外网打交道，可以演变成只在机房内部的集群；同时因为公网CLB的流量都会经过REIP，REIP自然也就是公网CLB的流量入口。从而达到我们最初收敛公网入口的目的。这样的架构升级，可实现用户无感知。架构升级切换过程中，用户在访问公网CLB，不会出现卡顿或者重连的现象。这个架构模型也有一定的局限性的。公网CLB实例只能承载公网的流量，无法像上文提到的两层RERP+CLB那样，内外网随时进行转化。REIP+CLB实例中的CLB既承载内网侧CLB的流量，又承载公网侧CLB的流量。

6、山海架构 1.0

借助这个两级架构模型，我们能够把公网CLB保留下来，并且通过REIP把公网入口收敛。进一步思考并完善，我们提出了下面的想法：跟产品进行解耦。以前我们一个地区上线公网CLB产品，底层就要搭建有一个公网CLB的集群去支持。用户需要内网CLB服务，就要对应搭建个内网CLB的集群。底层集群类型跟产品是强耦合，有IPv4/IPv6， 公网/内网、BGP/三网组合出的多个产品形态。这种模式在小地域部署，因为产品业务的流量小，集群利用率低，就会造成很大的成本压力。为了应对这种小带宽低成本的诉求，我们将CLB+REIP的模型进一步抽象，引入山海架构：我们只建设CLB和REIP两类集群。通过这两类集群上的不同实例组合，满足多个产品形态的要求。从而实现产品形态和底层物理网络集群类型解耦。解耦合的方式是：CLB和REIP通过不同的实例类型，组合出不同的产品形态。山海架构在TGW内部做闭环，不涉及到产品侧和用户侧的改动。整个过程升级，对产品侧不做任何接口上的更新。因为产品侧的API接口保持不变，对用户侧就可以做到完全无感知。在产品侧保持不变，就需要我们在内部管控，识别接入用户实例是哪种形态的产品，拆分成不同形式的CLB和REIP的实例。其他的相关功能的比如流量统计、限速等模块也都要适配不同的产品形态，通过模块的适配，做到山海架构对上层产品侧应用的透明。
山海架构1.0归纳起来有两个重点：收敛公网入口和集群类型归一。
1）REIP：部署在城核机房，同时承载的是CLB和REIP两类产品的公网流量。之前EIP，在物理网络上有BGP+三网、v4/v6等多种集群类型。REIP借助vlan的隔离支持，把所有的网络类型都集中到一种REIP集群上来，我们称之为全通集群。在物理网络层面实现网络类型的归一， 然后再通过软件层的适配，实现REIP支持多通类型的网络接入能力。
2）CLB：在山海两级架构下，REIP集群处理公网侧的各种场景组合，CLB集群通过隧道与REIP处理公网流量。之前一个机房如果要把所有的产品能力支持起来，大概有7种集群类型。现在CLB集群可以用一种集群类型来支持所有的产品的公网CLB产品，以及内网CLB产品的能力。我们把三网+BGP以及内外网还有V4V6等集群类型都用一种类型来支持，山海架构完全落地后，开区的最小服务器数量可以降低到8台服务器，来承载所有的EIP和CLB产品需求。归纳起来一句话：对于用户来说，产品形态没有改变，用户使用习惯也没有改变。而在底层，我们把集群类型收敛到一个CLB集群和一个REIP集群上。

7、山海架构1.0限速技术

在山海架构演进中，有许多技术点，本文选取限速技术进行分享。

首先Region EIP支持三网。以前BGP跟三网分开独立支持，山海网关统一用Region EIP支持。Region EIP本身的网络架构分成两个机房，每个机房放4台TGW设备，每个EIP只会走左边或者右边。一个EIP进来的流量经过上面这层交换机时，经过了ECMP分流，然后分到了4台设备上。这样对每个EIP其实是采用了分布式限速。
限速有两个要求：
1）精确性，限速上下浮动要小，要限得准；
2）要有容灾能力。
限速最极端的精准就是把它放到单点上去做限速，但是单点限速就会面临单点故障和容灾的问题。在X86服务器上，使用的是分布式限速，一个EIP均分到4台服务器上，每五秒钟做一次流量的的汇总统计，通过流量比例计算将这个EIP的带宽配额，重新分配并分发到4台设备上，以此来实现集群上的限速。在单台设备上，也是没隔一段时间，就重新计算配额并分配到每个CPU核上，我们目前用的是300毫秒周期。需要说明的是：在限速的实现上，业务有多重实现方式，我们了解到有的实现的是静态分配，比如120兆的带宽，4台设备，我们每台设备分40M(三分之一)的带宽。1/3而不是1/4的带宽，目的是防止某一台设备断了之后，用户总带宽不达标，影响用户体验。在单台设备上限速，也有另外一种实现方式，大小桶。比如限速1M的带宽，那么每个核第一次取回100K或者200K配额。后续报文处理时候，先消耗上次取回的配额，如果带宽配额消耗光了，再重新取。周期调整跟大小桶这两种实现方式各有优缺点。从资源消耗来说，300毫秒周期的资源消耗相对会更少一些，两者大概有10%左右的性能偏差。

限速上另一诉求：小带宽的限速的精准限速。大带宽比如100兆，分到每个核上相对富裕。小带宽如一M带宽，一秒钟100k字节等，分到四台机器再分到几十个核上，每个核都可能不到一个大报，这时候再去做精准限速就会非常困难，因为既然要提前分配资源，资源那么少，分配到单核上，可能一个包都过不去，但凡有一个报文过去了，又可能超了。所以在小带宽限速时，我们把它退化成类似于单点限速的模式。由于入方向带宽最小也是100兆，因此保持原有的分布式限速不变。只对出方向小带宽，使用单点限速。方案是这样的：每台REIP有自己一个独享的内网地址，只有这台服务器故障时候，这个地址的流量才被分发到其他三台服务器。入方向流量被分到四台REIP服务器后，REIP处理完通过tunnel转发给母机。隧道的外层源地址，只使用其中一台REIP服务器的独享的IP地址。每个外网IP地址在挂载到集群下管理时候，就确定下来了。母机在接受到网关发过去的流量，解析外层报文地址，并记录在本地会话表里，我们称之为母机的自学习能力。当母机侧转发出方向报文时，就只会使用本地学习并记录的外层地址去封装隧道。这样出方向的流量，就回到单台TGW设备上，实现了单点限速。
独享的内网地址本身是有容灾能力：
1）当其服务器故障了，流量就被分散到集群其他服务器，放弃单点限速；
2）当服务器被修复上线后，又可以重新变成精准的单点限速。这样保证小带宽精准限速的同时，又避免了单点故障。在限速过程中，还有一个问题，因为CLB集群原来的限速是在CLB集群上自己做的，引入山海之后，REIP上有限速能力，那么公网CLB的限速要不要挪到REIP上？我们经过多次讨论， 最终还是维持**这个限速在公网CLB上不变。

这里有几种场景考量：
1）内外网攻击：如果我们把它放到REIP上，这里可以扛住外网的攻击，但同时内网的攻击我们是防不住的，因为公网CLB上没有限速后，流量内网的攻击就会先把CLB上压过载，导致丢包，影响业务的稳定性。
2）有效流量的准确统计：原有架构下，从公网流量首先到达CLB，我们需要检查公网CLB上与port对应的服务是否已配置规则并启用。如果没有启用，则将报文直接丢弃且不记录为公网CLB的带宽使用量。山海架构下，如果先经过Region EIP限速，这类无服务访问流量（如恶意攻击和垃圾流量）也将占用限速资源。尽管这部分限速流量会送达至CLB集群，但由于缺乏相应服务支持，它们最终还是将被丢弃。结果导致用户带宽不及预期。比如用户购买10M带宽，实际有效运行的仅有8M流量，而其余2M被无服务流量占用了。
3）多重限速的影响：还有一个这个场景中，当Region EIP实施带宽限速后，这些流量最终可能进入公网CLB。然而，由于CLB的规格限制，例如新建连接数或并发连接数已达到上限，部分数据包可能会被丢弃。这些丢失的数据包已经消耗了购买的公网带宽，从而导致用户观察到的公网CLB流量带宽未达到预期。因此，我们保留公网CLB限速功能不变，仅进行引流调整。

8、山海架构1.0的优势

CLB产品及REIP产品，在使用山海1.0之后的几点优势。
1）CLB产品本身支持热迁移，扩容到山海热迁移，不会引起用户的断流，有助于运维做用户产品升级迭代。这方面有个典型案例，比如某台设备坏了或者发现某台设备上有问题，需要把流量迁走的时候，我们可以不用中断用户的流量的。我们了解到，以前有的竞品，因为热迁移做的不是特别完善，在设备出现问题或者是需要升级版本的时候，常选择低峰期做升级。
2）EIP在做限速的时候，在出方向时是小带宽，可以做到比较精准的限速。好处是用户做压测或测试的时，带宽不会抖动影响自己的业务的稳定性。
3）高低优先级限速。用户买一些比较小的比如10M带宽或者5M带宽，用来服务本身业务，同时也会ssh或者远程桌面登录EIP；因为一起我们是做无差别的限速丢包的话，这样会造成它本身的控制流量，如远程桌面的流量也会被丢包，造成登录的卡顿。用户需要在不超限速的前提下，优先保证远程桌面不卡，然后再提供其他的下载服务。我们把流量根据端口进行区分，比如22端口或者是远程桌面的3389端口的流量，标记为高优先级。在做限速时，只要高优先流量不超限速，就全部放行。当高优先级流量再叠加上低优先级的流量超限速时，把低优先级的流量丢掉，这样ssh访问服务器的时候能够非常顺畅。
4）山海架构上线后，基于vip粒度的调度，可以让调度更加灵活。比如原来一个集群为了节省路由条目，我们按照一个网段发路由，不是每个VIP都发路由的。山海两级架构之后，没有了这个限制，就可以按照VIP，把CLB实例调度到不同CLB集群。这样如果用户需要一个特别大规格的VIP的时候，我们可用一个集群的能力去扛用户一个VIP，从而满足超大规格实例的诉求。当然真实使用产品时，很少有客户把上百G的流量用一个VIP来承载。用户出于容灾考虑，通常不会把所有的鸡蛋放到一个篮子里。

9、山海架构 2.0

9.1概述

如前所述：山海 1.0 主要目标是整合公共网络并将所有公网出口集中在城市核心机房内。至于剩余的 CLB 群集，我们会继续将其保存在原有各机房的专区里。这是因为网关设备有其与服务器不同的网络诉求，例如普通服务器不能提供发布动态路由，并通过动态路由引流处理业务流量。再比如：网关专区的收敛比1:1，而服务器虽然带宽也是100G， 但其收敛比率往往小于1：1。在这种情况下，我们不能简单地将 CLB 网关群集群平移放置到服务器区。因此，CLB 网关群集通常在构建每个机房时，预先规划并预留相应的网关专区。机房建设起来后，如业务量小，又会因预留资源空置造成浪费。目前专区闲置机位也是一笔较大的费用。同时，还有一种临时扩容的需求场景，例如VIP大客户，临时会有大流量的转发需求，这时常态运营水位没法满足需要，需要调配设备做集群扩容。如果本机房的设备不够还需要跨机房搬迁，搬迁周期比较长，对我们运营压力会很大。所以，我们希望通过山海2.0能把专区建设的空置率降下来，同时提升弹性，能够低成本的快速扩缩容。

9.2引流交换机

在山海 2.0里，我们采用了“引流交换机”。在每个机房的建设时，我们可以放置两组共四台引流交换机。考虑到单个交换机的容量可以达到 1 T 以上，有四台交换机工作，一个机房能够承受大约 4T~ 6T 的流量峰值。这意味着后续无需再额外扩容，一次性的建设和布局就可以满足长期的需求。相比于 CLB 群集占用的机位空间，四台交换机所需的机位显著减少。我们把原来CLB集群对外声明路由的能力放到了引流交换机上，把CLB服务器用用通用服务器区的设备来代替。考虑收敛比和容灾，不会把一个集群放到一两个机架上，会相对分散些，更不会把整个机架全部再用成CLB集群。这样CLB集群不再单独建设网关专区，引流交换机把路由声明发出去，通过隧道跟CLB设备转发流量。

9.3山海2.0的变化

我们以内网CLB为例，原来一台虚拟机访问CLB集群，CLB集群把它的流量转到对应的RS。引入交换机之后，其进出两个方向都会有变化：入方向（访问LB方向），虚拟机的流量先被引流到了引流交换机，交换机把报文做一次封装，然后发送给对应的服务器，进行负载均衡转换。最后处理后的结果，被转发给真正的RS。原来的两跳访问变成了现在的三跳。同样反方向流量返回时，RS的流量先回到引流交换机，然后被分发到对应的LD设备上。LD处理完之后，再把报文直接转到client虚拟机上。借助引流交换机的中转，我们就能够让负载均衡的专区设备的放到普通的服务器区里。另外：这里的CLB服务器，可以跟其他的网关包括母机复用一些相同机型的服务器，当需要扩容时，就可以使用通用服务器。而不像以前CLB既有自己独立的机型，又对服务器的物理位置有要求。有了引流交换机跟LD之间是做隧道传输，LD具体的物理位置就没有像原来一样有硬性的要求。这样CLB可以通过通用服务器区域，调配服务器。最后一项是：原有跟REIP类似的，CLB设备做路由通告时，也是按照网段通告，有引流交换机之后，我们可以在引流交换机上去做细粒度的调度，一个VIP或是几个vip放到一个集群。还可以在引流交换机上做更细粒度的调度，如IP+port这样的五元组的粒度的调度。

10、未来展望

目前网关设备最重要也是最大的一个方向就是做高性能、硬件卸载。依赖硬件来实现高性能的转发。
网关设备分为有状态和无状态两种：
1）无状态设备就像IP转换一样，只要依据规则，任何时刻来了报文，转换出来的形式都是固定的；
2）有状态设备是需要记录TCP、 UDP状态，记录转发到后端设备，当不同的时间转发即使相同的类型的流量，它转发的目的地也不一样，转换的格式也可能不一样。
硬件卸载在有状态和无状态时，基本上用到的设备都是DPU和交换机，用到的介质几乎都是FPGA。FPGA和ASIC本质上是一个东西，无论友商还是我们自己内部研发，更多的是FPGA上做功能，并小规模的灰度上线验证，一旦稳定下来，就转化成批量的ASIC，以此来降低成本。DPU和交换机在无状态设备上，交换机相对更有优势，因为无状态设备对容量的要求相对小些，像EIP网关以及内部无状态的网关大多用交换机形态实现。DPU目前更多的用在母机侧，做有状态类的网络处理。当然， 采用DPU不仅仅局限网络诉求，还有存储安全等其他需求。去年英特尔宣布已不再进行交换机tf芯片的演进迭代，大家对交换机的质疑会增大。所以，也衍化了另一种方案：在一台额外的服务器中插入 DPU 网卡以实现卸载功能。
但不同方案有不同的优缺点：
1）使用交换机的最大优势在于其强大的交换性能（可达 1T或几个T及更高），可支持很大的接入容量。但是，交换机仅能是一个底座，若要扩展容量仍需依赖 FPGA 技术。
2） DPU 的优点则包括成熟的产业链、庞大的产量以及稳定的供应保障；
此外，由于 DPU 在母机侧已被广泛验证和采用，许多功能的实现都相对固定。这是两种方案各自的优缺点。在两个产品运用负载均衡状态的交换上，业内不同的厂家也有不同的玩法，有的是交换机，有的是DPU。当前，无论是交换机还是 DPU，都依赖FPGA(ASIC)来做大容量的会话管理，同时越来越多的设备或多或少的支持P4。在 X86 上进行编程时，通常选择 DPDK。
相较之下：使用 P4 进行编程的门槛较低。P4 编写一般功能需求的代码非常简单快捷，只需一两周时间即可完成，甚至对于熟练者来说，可以在几个小时就开发出一个小功能。虽然充分发挥硬件的性能，P4类芯片还需要进行很深入细节的研究，但P4还是大大降低了数据面编程的门槛，特别是在高性能转发的需求方面。
另一个特点是：小型化。大家过去比较关注数据中心和海量数据的优化问题，随着业务发展，逐步转向降低运营成本和提高效率的场景，开设小型站点。这类小型站点，是典型的“麻雀虽小，五脏俱全”，希望用尽量少的设备成本来满足各种功能需求。所以我们将设备设计为具有较小规格的产品系列，并在易用性上进行改进，通过集群合并、虚拟机等承担更多的任务负载。这样在业务规模和流量不大，也能以较少的资源应对较高的功能性需求。一旦业务规模扩大，我们可将这些小型站点升级为传统的数据中心级物理设备。以上未来网关两个主要的方向。

11、相关资料

[1] IPv6技术详解：基本概念、应用现状、技术实践（上篇）
[2] 网络编程入门从未如此简单(三)：什么是IPv6？漫画式图文，一篇即懂！
[3] 网络编程懒人入门(十五)：外行也能读懂的网络硬件设备功能原理速成
[4] 脑残式网络编程入门(六)：什么是公网IP和内网IP？NAT转换又是什么鬼？
[5] 脑残式网络编程入门(七)：面视必备，史上最通俗计算机网络分层详解
[6] 以网游服务端的网络接入层设计为例，理解实时通信的技术挑战[7] 百度统一socket长连接组件从0到1的技术实践
[8] 淘宝移动端统一网络库的架构演进和弱网优化技术实践
[9] 百度APP移动端网络深度优化实践分享(二)：网络连接优化篇[10] 新手入门：零基础理解大型分布式架构的演进历史、技术原理、最佳实践
[11] 一套高可用、易伸缩、高并发的IM群聊、单聊架构方案设计实践

（本文已同步发布于：http://www.52im.net/thread-4641-1-1.html）