一、概述

1.1 背景

过载保护是微服务系统无法绕过的技术难题，本文对过载保护的原因、解决方案、实施与测试闭环进行全流程的研究。

1.2 过载分析

过载后如果不进行保护，会导致资源耗尽，进而导致雪崩。过载有很多原因，大致如下：

（1）资源不足，例如cpu、内存、io、存储空间、PID不足；

（2）设计缺陷，例如代码逻辑问题导致处理效率低；

（3）几率性业务重合，例如很多高io业务集中到一个节点上；

（4）用户侧突发压力，例如大量用户在同一时间使用相同功能；

（5）异常业务场景压力增加，例如补偿类的业务造成双倍压力，清理策略失效导致文件量激增；

（6）下游服务异常导致上游业务阻塞，例如网络/存储io缓慢导致上游业务压力变大；

1.3 现状

从软件外部故障和系统测试故障分析，因过载导致的故障占了很大比例，可以说过载是无法避免的问题。本文不讨论业务逻辑，仅讨论的是过载本身的通用解决方案。

二、解决方案

下图是过载保护的几种手段，第1种是通过提高服务能力解决压力不够的问题；第2/3/4种都属于服务降级，即牺牲一部分服务能力；第5种熔断是为了防止压力传导（同时也能防止故障传导）；三者之间是不冲突的。

 

 

2.1 增加资源

当发生过载时，首先考虑的是通过增加资源，这样做可以提高服务能力，但也面临很多问题：

（1）资源投入增大，如果是突发压力，会使资源平均使用率下降；

（2）伸展之后还要考虑收缩；

（3）弹缩时机和业务行为强相关，策略不好选择，容易导致延迟伸缩和误判；

（4）能力有上限。

2.2 服务降级

当发生过载之后，服务降级是最经济、高效的手段，可以有效避免服务完全不可用和雪崩，利用有限的资源提供最大的服务能力。

服务降级有很多策略、方法，主要包含如下三种：

1、关闭非核心业务

在资源有效的情况下，保留核心业务、关闭非核心业务是一种常用手段，这种方法很合理，但是实施比较复杂，一方面要提前识别哪些是核心业务、哪些是非核心业务，另一方面，不好评估关闭非核心业务会降低多少压力，以及何时恢复非核心业务。因此关闭非核心业务经常使用手动方式，手动埋点、手动打开/关闭开关。

2、限流

微服务架构下很多服务都是单一功能，不适合关闭非核心业务，因此限流成为主流方法。设置一个线程池/消息队列，超出队列直接拒绝，从而减轻服务的压力。

在实际项目程中，为了应对突发压力，往往会在执行队列的基础上再增加一个缓冲队列，超出执行队列后先放入缓冲队列，少量突发压力会先放入缓冲队列，缓冲队列也满了才会拒绝。

3、降低一致性

降低一致性是一种特殊的服务降级方法，方式有很多（包括上面的缓冲队列也是其中一种）。

（1）同步改为异步，强一致性改为最终一致性

这里主要指请求方的同步改异步，请求发出去之后，等待时间T之后如果没有收到返回值，则不再等待，并给用户返回“请求已经提交，由于系统繁忙，需要排队执行，请勿重复操作。”

这种方式实时性得不到保障，一致性也是通过事务完整性来保障的，不适用所有业务，需要根据实际业务情况选择。

异步只能解决突发压力增加，如果长时间压力大，下游任务依然会积压，最终无法执行成功。并且，如果实现最终一致性，任务失败后会做重试，重试本身又会增加系统压力。

（2）增加缓冲队列

缓冲队列主要用来应对突发压力，当执行队列满了之后，先把请求存入缓存队列。缓冲队列只是“权宜”之计，超出队列的请求依然要进行限流。实际运用中，缓冲队列和限流是不冲突的。

缓冲队列一般使用FIFO的方式进行存取。缓冲队列设置太短起不到很好的效果，会很快充满。设置过长，又会导致部分请求等待时间过长，这些请求执行完成返回给上游时已经超时，上游服务认为这是无效请求（此情况只会出现在上游是同步请求的场景）。这种情况持续一段时间后，每个请求都会超时。因此队列的长度设计要适中，还要考虑实际业务规律。

（3）多副本强一致性，改为主用同步、备用异步

这是一种特殊场景。

根据CAP原则，一致性、可用性、分区数三者必须牺牲一个，在满足CP的业务场景下，除了可用性下降之外，还会导致响应时间增加、对底层压力贡献增加，这时可以通过策略修改一致性，修改为主用同步、备用异步。

总结：降低一致性的三种方式都是为了解决突发压力，第二种方法是常用方法，第一种方法可以和第二种方法配合使用，第一种方法适用范围有限，要根据实际业务决定是否采用。

2.3 熔断

 

 

如上图所示，服务A向服务B发请求，当请求出现大量超时、失败、拒绝时，上游服务A应该停止发送请求，这种行为称为熔断。熔断可以减少对下游施加的压力，也可以防止下游故障向上游传导。

不难看出，服务降级是指当服务压力过大时，本服务通过减少工作量来降低压力，而熔断是通过减少无效请求来降低下游压力，二者的区别主要是实施对象不一样。

三、落地

下图为闭环流程：

 

 

先由项目架构师给出统一的设计原则，然后由产品架构师进行设计、DEV进行开发、测试人员进行测试，然后进行迭代改进。

3.1 设计原则

通过前面的分析，我们对设计原则给出如下使用建议：

1、有性能风险的服务，必须要有弹性，支持垂直或水平弹缩。（现状：水平弹缩目前失效性不满足要求，垂直弹缩场景java微服务的内存无法收缩。）

2、有性能风险的服务，必须要有服务降级能力，关闭非核心业务和限流二选一，降低一致性建议选用缓冲队列，队列长度设置适中，同步/异步要根据实际业务需求选择。（现状：目前没发现关闭非核心业务的微服务，部分业务进行了限流，缓冲队列长度未严格要求。）

3、熔断建议全部使用。（现状：目前基本都没使用）

4、注意：开发团队根据以上原则进行方案设计、开发，针对弹缩、限流、熔断等功能，建议从框架给出解决方案，开发团队只需要根据自己的业务特点填写模板参数即可。

3.2 设计

设计阶段需要给出各项指标，包括弹性伸缩的阈值、弹性伸缩的时间指标、业务并发度指标、缓冲队列长度、熔断阈值和熔断检测周期。这些指标是开发的依据，也是测试的依据。

3.3 开发

根据设计进行开发。

3.4 测试分析

根据4.2设计的进行测试验证，验证既要包含功能是否实现，又要包含效率是否达成。

1、弹性能力验证

（1）垂直弹缩，验证业务闲时资源资源使用率不超过request，忙时超过request但达不到limit。

（2）水平弹缩，验证点是是否能弹、是否能缩，以及时效性是否满足指标要求

2、并发度验证

白盒测试主要在FT覆盖，通过打桩的方式对执行队列和缓冲队列进行压测。

黑盒测试是从业务视角看，执行队列和缓冲队列是无法区分的，可以逐渐增加并发度，看最大并发度是多少。

并发度测试的时候，还要关注①在过负荷的时候是否会限流；②进入队列的任务是否能够全部成功；③长时间过负荷测试服务是否会崩溃。

3、熔断功能验证

熔断的测试方式包含几部分：

（1）下游挂了之后，上游请求一直失败，上游服务是否会熔断；

（2）上游请求超时，是否会熔断；

（3）熔断开启状态，在下游恢复之后，能不能通过有效的检测机制恢复上游业务。

3.5 测试设计与测试用例

1、前端接口级过载测试

针对微服务接口级的测试，要设计相应的压力测试，测试标准参考为3.4测试分析。

2、后端指标类过载测试

针对指标文档中的高并发类指标，后端设计相应的业务并发测试，参考3.4测试分析的第2节并发度验证。

标签：服务,队列,缓冲,过载,业务,保护,熔断,设计
来源： https://www.cnblogs.com/sufuplus/p/15378899.html