告知你不为人知的UDP-连接性和负载均衡

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作者介绍：黄日成，手Q游戏中心后台开发，腾讯高级工程师。从事C++服务后台开发4年多，主要负责手Q游戏中心后台基础系统、复杂业务系统开发，主导过手Q游戏公会、企鹅电竞App-对战系统等项目的后台系统设计，有丰富的后台架构经验。

引言

作为文章”《从TCP三次握手说起—浅析TCP协议中的疑难杂症》”的姊妹篇，很早就计划写篇关于UDP的文章，尽管UDP协议远没TCP协议那么庞大、复杂，但是，要想将UDP描述清楚，用好UDP却要比TCP难不少，于是文章从下笔写，到最终写成，断断续续拖了好几个月。
说起网络socket，大家自然会想到TCP，用的最多也是TCP，UDP在大家的印象中是作为TCP的补充而存在，是无连接、不可靠、无序、无流量控制的传输层协议。UDP的无连接性已经深入人心，协议上的无连接性指的是一个UDP的Endpoint1(IP,PORT)，可以向多个UDP的Endpointi(IP,PORT)发送数据包，也可以接收来自多个UDP的Endpointi(IP,PORT)的数据包。实现上，考虑这样一个特殊情况：UDP Client 在Endpoint_C1只往UDP Server的Endpoint_S1发送数据包，并且只接收来自Endpoint_S1的数据包，把UDP通信双方都固定下来，这样不就形成一条单向的虚”连接”了么？

1. UDP的”连接性”

估计很多同学认为UDP的连接性只是将UDP通信双方都固定下来了，一对一只是多对多的一个特例而已，这样UDP连接不连接到无所谓了。果真如此吗？其实不然，UDP的连接性可以带来以下两个好处：

1.1 高效率、低消耗
我们知道Linux系统有用户空间(用户态)和内核空间(内核态)之分，对于x86处理器以及大多数其它处理器，用户空间和内核空间之前的切换是比较耗时(涉及到上下文的保存和恢复，一般3种情况下会发生用户态到内核态的切换：发生系统调用时、产生异常时、中断时)。那么对于一个高性能的服务应该减少频繁不必要的上下文切换，如果切换无法避免，那么尽量减少用户空间和内核空间的数据交换，减少数据拷贝。熟悉socket编程的同学对下面几个系统调用应该比较熟悉了，由于UDP是基于用户数据报的，只要数据包准备好就应该调用一次send或sendto进行发包，当然包的大小完全由应用层逻辑决定的。细看两个系统调用的参数便知道，sendto比send的参数多2个，这就意味着每次系统调用都要多拷贝一些数据到内核空间，同时，参数到内核空间后，内核还需要初始化一些临时的数据结构来存储这些参数值(主要是对端Endpoint_S的地址信息)，在数据包发出去后，内核还需要在合适的时候释放这些临时的数据结构。进行UDP通信的时候，如果首先调用connect绑定对端Endpoint_S的后，那么就可以直接调用send来给对端Endpoint_S发送UDP数据包了。用户在connect之后，内核会永久维护一个存储对端Endpoint_S的地址信息的数据结构，内核不再需要分配/删除这些数据结构，只需要查找就可以了，从而减少了数据的拷贝。这样对于connect方而言，该UDP通信在内核已经维护这一个“连接”了，那么在通信的整个过程中，内核都能随时追踪到这个“连接”。

int connect(int socket, const struct sockaddr *address,
              socklen_t address_len);             
ssize_t send(int socket, const void *buffer, size_t length, 
              int flags);
ssize_t sendto(int socket, const void *message, 
              size_t length,              
int flags, const struct sockaddr *dest_addr,
              socklen_t dest_len);
ssize_t recv(int socket, void *buffer, size_t length,
              int flags);
ssize_t recvfrom(int socket, void *restrict buffer, 
              size_t length,              
int flags, struct sockaddr *restrict address,
              socklen_t *restrict address_len);

1.2 错误提示

相信大家写UDP Socket程序的时候，有时候在第一次调用sendto给一个unconnected UDP socket发送UDP数据包时，接下来调用recvfrom()或继续调sendto的时候会返回一个ECONNREFUSED错误。对于一个无连接的UDP是不会返回这个错误的，之所以会返回这个错误，是因为你明确调用了connect去连接远端的Endpoint_S了。那么这个错误是怎么产生的呢？没有调用connect的UDP Socket为什么无法返回这个错误呢？
当一个UDP socket去connect一个远端Endpoint_S时，并没有发送任何的数据包，其效果仅仅是在本地建立了一个五元组映射，对应到一个对端，该映射的作用正是为了和UDP带外的ICMP控制通道捆绑在一起，使得UDP socket的接口含义更加丰满。这样内核协议栈就维护了一个从源到目的地的单向连接，当下层有ICMP(对于非IP协议，可以是其它机制)错误信息返回时，内核协议栈就能够准确知道该错误是由哪个用户socket产生的，这样就能准确将错误转发给上层应用了。对于下层是IP协议的时候，ICMP错误信息返回时，ICMP的包内容就是出错的那个原始数据包，根据这个原始数据包可以找出一个五元组，根据该五元组就可以对应到一个本地的connect过的UDP socket，进而把错误消息传输给该socket，应用程序在调用socket接口函数的时候，就可以得到该错误消息了。
对于一个无“连接”的UDP，sendto系统调用后，内核在将数据包发送出去后，就释放了存储对端Endpoint_S的地址等信息的数据结构了，这样在下层的协议有错误返回的时候，内核已经无法追踪到源socket了。
这里有个注意点要说明一下，由于UDP和下层协议都是不可靠的协议，所以，不能总是指望能够收到远端回复的ICMP包，例如：中间的一个节点或本机禁掉了ICMP，socket api调用就无法捕获这些错误了。

2 UDP的负载均衡

在多核(多CPU)的服务器中，为了充分利用机器CPU资源，TCP服务器大多采用accept/fork模式，TCP服务的MPM机制(multi processing module)，不管是预先建立进程池，还是每到一个连接创建新线程/进程，总体都是源于accept/fork的变体。然而对于UDP却无法很好的采用PMP机制，由于UDP的无连接性、无序性，它没有通信对端的信息，不知道一个数据包的前置和后续，它没有很好的办法知道，还有没后续的数据包以及如果有的话，过多久才会来，会来多久，因此UDP无法为其预先分配资源。

2.1 端口重用SO_REUSEADDR、SO_REUSEPORT

要进行多处理，就免不了要在相同的地址端口上处理数据，SO_REUSEADDR允许端口的重用，只要确保四元组的唯一性即可。对于TCP，在bind的时候所有可能产生四元组不唯一的bind都会被禁止(于是，ip相同的情况下，TCP套接字处于TIME_WAIT状态下的socket，才可以重复绑定使用)；对于connect，由于通信两端中的本端已经明确了，那么只允许connect从来没connect过的对端(在明确不会破坏四元组唯一性的connect才允许发送SYN包)；对于监听listen端，四元组的唯一性油connect端保证就OK了。

TCP通过连接来保证四元组的唯一性，一个connect请求过来，accept进程accept完这个请求后(当然不一定要单独accept进程)，就可以分配socket资源来标识这个连接，接着就可以分发给相应的worker进程去处理该连接后续的事情了。这样就可以在多核服务器中，同时有多个worker进程来同时处理多个并发请求，从而达到负载均衡，CPU资源能够被充分利用。

UDP的无连接状态(没有已有对端的信息)，使得UDP没有一个有效的办法来判断四元组是否冲突，于是对于新来的请求，UDP无法进行资源的预分配，于是多处理模式难以进行，最终只能“守株待兔“，UDP按照固定的算法查找目标UDP socket，这样每次查到的都是UDP socket列表固定位置的socket。UDP只是简单基于目的IP和目的端口来进行查找，这样在一个服务器上多个进程内创建多个绑定相同IP地址(SO_REUSEADDR)，相同端口的UDP socket，那么你会发现，只有最后一个创建的socket会接收到数据，其它的都是默默地等待，孤独地等待永远也收不到UDP数据。UDP这种只能单进程、单处理的方式将要破灭UDP高效的神话，你在一个多核的服务器上运行这样的UDP程序，会发现只有一个核在忙，其他CPU核心处于空闲的状态。创建多个绑定相同IP地址，相同端口的UDP程序，只会起到容灾备份的作用，不会起到负载均衡的作用。

要实现多处理，那么就要改变UDP Socket查找的考虑因素，对于调用了connect的UDP Client而言，由于其具有了“连接”性，通信双方都固定下来了，那么内核就可以根据4元组完全匹配的原则来匹配。于是对于不同的通信对端，可以查找到不同的UDP Socket从而实现多处理。而对于server端，在使用SO_REUSEPORT选项(linux 3.9以上内核)，这样在进行UDP socket查找的时候，源IP地址和源端口也参与进来了，内核查找算法可以保证：

[1] 固定的四元组的UDP数据包总是查找到同一个UDP Socket
[2] 不同的四元组的UDP数据包可能会查找到不同的UDP Socket

这样对于不同client发来的数据包就能查找到不同的UDP socket从而实现多处理。这样看来，似乎采用SO_REUSEADDR、SO_REUSEPORT这两个socket选项并利用内核的socket查找算法，我们在多核CPU服务器上多个进程内创建多个绑定相同端口，相同IP地址的UDP socket就能做到负载均衡充分利用多核CPU资源了。然而事情远没这么顺利、简单。

2.2 UDP Socket列表变化问题

通过上面我们知道，在采用SO_REUSEADDR、SO_REUSEPORT这两个socket选项后，内核会根据UDP数据包的4元组来查找本机上的所有相同目的IP地址，相同目的端口的socket中的一个socket的位置，然后以这个位置上的socket作为接收数据的socket。那么要确保来至同一个Client Endpoint的UDP数据包总是被同一个socket来处理，就需要保证整个socket链表的socket所处的位置不能改变，然而，如果socket链表中间的某个socket挂了的话，就会造成socket链表重新排序，这样会引发问题。于是基本的解决方案是在整个服务过程中不能关闭UDP socket(当然也可以全部UDP socket都close掉，从新创建一批新的)。要保证这一点，我们需要所有的UDP socket的创建和关闭都由一个master进行来管理，worker进程只是负责处理对于的网络IO任务，为此我们需要socket在创建的时候要带有CLOEXEC标志(SOCK_CLOEXEC)。

2.3 UDP和Epoll结合 - UDP的Accept模型

到此，为了充分利用多核CPU资源，进行UDP的多处理，我们会预先创建多个进程，每个进程都创建一个或多个绑定相同端口，相同IP地址(SO_REUSEADDR、SO_REUSEPORT)的UDP socket，这样利用内核的UDP socket查找算法来达到UDP的多进程负载均衡。然而，这完全依赖于Linux内核处理UDP socket查找时的一个算法，我们不能保证其它的系统或者未来的Linux内核不会改变算法的行为；同时，算法的查找能否做到比较好的均匀分布到不同的UDP socket，(每个处理进程只处理自己初始化时候创建的那些UDP socket)负载是否均衡是个问题。于是，我们多么想给UPD建立一个accept模型，按需分配UDP socket来处理。
在高性能Server编程中，对于TCP Server而已有比较成熟的解决方案，TCP天然的连接性可以充分利用epoll等高性能event机制，采用多路复用、异步处理的方式，哪个worker进程空闲就去accept连接请求来处理，这样就可以达到比较高的并发，可以极限利用CPU资源。然而对于UDP server而言，由于整个Svr就一个UDP socket，接收并响应所有的client请求，于是也就不存在什么多路复用的问题了。UDP svr无法充分利用epoll的高性能event机制的主要原因是，UDP svr只有一个UDP socket来接收和响应所有client的请求。然而如果能够为每个client都创建一个socket并虚拟一个“连接”与之对应，这样不就可以充分利用内核UDP层的socket查找结果和epoll的通知机制了么。server端具体过程如下：

1. UDP svr创建UDP socket fd,设置socket为REUSEADDR和REUSEPORT、同时bind本地地址local_addr
   listen_fd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0)
   setsockopt(listen_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt,sizeof(opt))
   setsockopt(listen_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt))
   bind(listen_fd, (struct sockaddr *) &local_addr, sizeof(struct sockaddr))
2. 创建epoll fd，并将listen_fd放到epoll中 并监听其可读事件
   epoll_fd = epoll_create(1000);
   ep_event.events = EPOLLIN|EPOLLET;
   ep_event.data.fd = listen_fd;
   epoll_ctl(epoll_fd , EPOLL_CTL_ADD, listen_fd, &ep_event)
   in_fds = epoll_wait(epoll_fd, in_events, 1000, -1);
3. epoll_wait返回时，如果epoll_wait返回的事件fd是listen_fd，调用recvfrom接收client第一个UDP包并根据recvfrom返回的client地址, 创建一个新的socket(new_fd)与之对应，设置new_fd为REUSEADDR和REUSEPORT、同时bind本地地址local_addr，然后connect上recvfrom返回的client地址
   recvfrom(listen_fd, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr )&client_addr, &client_len)
   new_fd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0)
   setsockopt(new_fd , SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse,sizeof(reuse))
   setsockopt(new_fd , SOL_SOCKET, SO_REUSEPORT, &reuse, sizeof(reuse))
   bind(new_fd , (struct sockaddr ) &local_addr, sizeof(struct sockaddr));
   connect(new_fd , (struct sockaddr *) &client_addr, sizeof(struct sockaddr)
4. 将新创建的new_fd加入到epoll中并监听其可读等事件
   client_ev.events = EPOLLIN;
   client_ev.data.fd = new_fd ;
   epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, new_fd , &client_ev)
5. 当epoll_wait返回时，如果epoll_wait返回的事件fd是new_fd 那么就可以调用recvfrom来接收特定client的UDP包了
   recvfrom(new_fd , recvbuf, sizeof(recvbuf), 0, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len)

通过上面的步骤，这样UDP svr就能充分利用epoll的事件通知机制了。第一次收到一个新的client的UDP数据包，就创建一个新的UDP socket和这个client对应，这样接下来的数据交互和事件通知都能准确投递到这个新的UDP socket fd了。

这里的UPD和Epoll结合方案，有以下几个注意点

[1] client要使用固定的ip和端口和server端通信，也就是client需要bind本地local address。
如果client没有bind本地local address，那么在发送UDP数据包的时候，可能是不同的Port了，这样如果server端的new_fd connect的是client的Port_CA端口，那么当Client的Port_CB端口的UDP数据包来到server时，内核不会投递到new_fd，相反是投递到listen_fd。由于需要bind和listen fd一样的IP地址和端口，因此SO_REUSEADDR和SO_REUSEPORT是必须的。
[2] 要小心处理上面步骤3中connect返回前，Client已经有多个UDP包到达Server端的情况。
如果server没处理好这个情况，在connect返回前，有2个UDP包到达server端了，这样server会new出两个new_fd1和new_fd2分别connect到client，那么后续的client的UDP到达server的时候，内核会投递UDP包给new_fd1和new_fd2中的一个

上面的UDP和Epoll结合的accept模型有个不好处理的小尾巴(也就是上面的注意点[2])，这个小尾巴的存在其本质是UDP和4元组没有必然的对应关系，也就是UDP的无连接性。

2.3 UDP Fork 模型 - UDP accept模型之按需建立UDP处理进程

为了充分利用多核CPU(为简化讨论，不妨假设为8核)，理想情况下，同时有8个工作进程在同时工作处理请求。于是我们会初始化8个绑定相同端口，相同IP地址(SO_REUSEADDR、SO_REUSEPORT)的UDP socket，接下来就靠内核的查找算法来达到client请求的负载均衡了。由于内核查找算法是固定的，于是，无形中所有的client被划分为8类，类型1的所有client请求全部被路由到工作进程1的UDP socket由工作进程1来处理，同样类型2的client的请求也全部被工作进程2来处理。这样的缺陷是明显的，比较容易造成短时间的负载极端不均衡。

一般情况下，如果一个UDP包能够标识一个请求，那么简单的解决方案是每个UDP socket n的工作进程n，自行fork出多个子进程来处理类型n的client的请求。这样每个子进程都直接recvfrom就OK了，拿到UDP请求包就处理，拿不到就阻塞。

然而，如果一个请求需要多个UDP包来标识的情况下，事情就没那么简单了，我们需要将同一个client的所有UDP包都路由到同一个工作子进程。为了简化讨论，我们将注意力集中在都是类型n的多个client请求UDP数据包到来的时候，我们怎么处理的问题，不同类型client的数据包路由问题交给内核了。这样，我们需要一个master进程来监听UDP socket的可读事件，master进程监听到可读事件，就采用MSG_PEEK选项来recvfrom数据包，如果发现是新的Endpoit(ip、port)Client的UDP包，那么就fork一个新的进行来处理该Endpoit的请求。具体如下

[1] master进程监听udp_socket_fd的可读事件：pfd.fd = udp_socket_fd;pfd.events = POLLIN; poll(pfd, 1, -1);
当可读事件到来，pfd.revents & POLLIN 为true。探测一下到来的UDP包是否是新的client的UDP包:recvfrom(pfd.fd, buf, MAXSIZE, MSG_PEEK, (struct sockaddr )pclientaddr, &addrlen);查找一下worker_list是否为该client创建过worker进程了。
[2] 如果没有查找到，就fork()处理进程来处理该请求，并将该client信息记录到worker_list中。查找到，那么continue，回到步骤[1]
[3] 每个worker子进程，保存自己需要处理的client信息pclientaddr。worker进程同样也监听udp_socket_fd的可读事件。poll(pfd, 1, -1);当可读事件到来，pfd.revents & POLLIN 为true。探测一下到来的UDP包是否是本进程需要处理的client的UDP包:recvfrom(pfd.fd, buf, MAXSIZE, MSG_PEEK, (struct sockaddr )pclientaddr_2, &addrlen); 比较一下pclientaddr和pclientaddr_2是否一致。

该fork模型很别扭，过多的探测行为，一个数据包来了，会”惊群”唤醒所有worker子进程，大家都去PEEK一把，最后只有一个worker进程能够取出UDP包来处理。同时到来的数据包只能排队被取出。更为严重的是，由于recvfrom的排他唤醒，可能会造成死锁。考虑下面一个场景：
假设有worker1、worker2、worker3、和master共四个进程都阻塞在poll调用上，client1的一个新的UDP包过来，这个时候，四个进程会被同时唤醒，worker1比较神速，赶在其他进程前将UPD包取走了(worker1可以处理client1的UDP包)，于是其他三个进程的recvfrom扑空，它们worker2、worker3、和master按序全部阻塞在recvfrom上睡眠(worker2、worker3排在master前面先睡眠的)。这个时候，一个新client4的UDP包packet4到来，(由于recvfrom的排他唤醒)这个时候只有worker2会从recvfrom的睡眠中醒来，然而worker而却不能处理该请求UDP包。如果没有新UDP包到来，那么packet4一直留在内核中，死锁了。之所以recv是排他的，是为了避免“承诺给一个进程”的数据被其他进程取走了。
通过上面的讨论，不管采用什么手段，UDP的accept模型总是那么别扭，总有一些无法自然处理的小尾巴。UDP的多路负载均衡方案不通用，不自然，其本因在于UPD的无连接性、无序性(无法标识数据的前续后继)。我们不知道client还在不在，于是难于决策虚拟的”连接”何时终止，以及何时结束掉fork出来的worker子进程(我们不能无限fork吧)。于是，在没有好的决策因素的时候，超时似乎是一个比较好选择，毕竟当所有的裁决手段都失效的时候，一切都要靠时间来冲淡。