Sentinel微服务流量治理组件实战上

分布式系统遇到的问题

解决方案

Sentinel 是什么？

Sentinel 工作原理

Sentinel 功能和设计理念

流量控制

熔断降级

Sentinel工作主流程

Sentinel快速开始

Sentinel资源保护的方式

基于API实现

@SentinelResource注解实现

Spring Cloud Alibaba整合Sentinel

微服务和Sentinel Dashboard通信原理

分布式系统遇到的问题

在一个高度服务化的系统中,我们实现的一个业务逻辑通常会依赖多个服务,比如:商品详情展示服务会依赖商品服务, 价格服务, 商品评论服务. 如图所示:

调用三个依赖服务会共享商品详情服务的线程池. 如果其中的商品评论服务不可用, 就会出现线程池里所有线程都因等待响应而被阻塞, 从而造成服务雪崩. 如图所示:

服务雪崩效应：因服务提供者的不可用导致服务调用者的不可用,并将不可用逐渐放大的过程，就叫服务雪崩效应。

导致服务不可用的原因：程序Bug，大流量请求，硬件故障，缓存击穿。

在服务提供者不可用的时候，会出现大量重试的情况：用户重试、代码逻辑重试，这些重试最终导致：进一步加大请求流量。所以归根结底导致雪崩效应的最根本原因是：大量请求线程同步等待造成的资源耗尽。当服务调用者使用同步调用时, 会产生大量的等待线程占用系统资源。一旦线程资源被耗尽,服务调用者提供的服务也将处于不可用状态, 于是服务雪崩效应产生了。

解决方案

超时机制

在不做任何处理的情况下，服务提供者不可用会导致消费者请求线程强制等待，而造成系统资源耗尽。加入超时机制，一旦超时，就释放资源。由于释放资源速度较快，一定程度上可以抑制资源耗尽的问题。

服务限流(资源隔离)

限制请求核心服务提供者的流量，使大流量拦截在核心服务之外，这样可以更好的保证核心服务提供者不出问题，对于一些出问题的服务可以限制流量访问，只分配固定线程资源访问，这样能使整体的资源不至于被出问题的服务耗尽，进而整个系统雪崩。

服务熔断

远程服务不稳定或网络抖动时暂时关闭，就叫服务熔断。现实世界的断路器大家肯定都很了解，断路器实时监控电路的情况，如果发现电路电流异常，就会跳闸，从而防止电路被烧毁。

当依赖的服务有大量超时时，在让新的请求去访问根本没有意义，只会无畏的消耗现有资源。比如我们设置了超时时间为1s,如果短时间内有大量请求在1s内都得不到响应，就意味着这个服务出现了异常，此时就没有必要再让其他的请求去访问这个依赖了，这个时候就应该使用断路器避免资源浪费。

服务降级

有服务熔断，必然要有服务降级。所谓降级，就是当某个服务熔断之后，服务将不再被调用，此时客户端可以自己准备一个本地的fallback（回退）回调，返回一个缺省值。例如：(备用接口/缓存/mock数据) 。这样做，虽然服务水平下降，但好歹可用，比直接挂掉要强，当然这也要看适合的业务场景。

Sentinel 是什么？

Sentinel 是面向分布式、多语言异构化服务架构的流量治理组件，主要以流量为切入点，从流量路由、流量控制、流量整形、熔断降级、系统自适应过载保护、热点流量防护等多个维度来帮助开发者保障微服务的稳定性。

Sentinel具有以下特征:

丰富的应用场景： Sentinel 承接了阿里巴巴近 10 年的双十一大促流量的核心场景，例如秒杀（即突发流量控制在系统容量可以承受的范围）、消息削峰填谷、实时熔断下游不可用应用等。
完备的实时监控： Sentinel 同时提供实时的监控功能。您可以在控制台中看到接入应用的单台机器秒级数据，甚至 500 台以下规模的集群的汇总运行情况。
广泛的开源生态： Sentinel 提供开箱即用的与其它开源框架/库的整合模块，例如与 Spring Cloud、Dubbo、gRPC 的整合。您只需要引入相应的依赖并进行简单的配置即可快速地接入 Sentinel。
完善的 SPI 扩展点： Sentinel 提供简单易用、完善的 SPI 扩展点。您可以通过实现扩展点，快速的定制逻辑。例如定制规则管理、适配数据源等。

Sentinel 工作原理

基本概念

资源

资源是 Sentinel 的关键概念。它可以是 Java 应用程序中的任何内容，例如，由应用程序提供的服务，或由应用程序调用的其它应用提供的服务，甚至可以是一段代码。在接下来的文档中，我们都会用资源来描述代码块。

只要通过 Sentinel API 定义的代码，就是资源，能够被 Sentinel 保护起来。大部分情况下，可以使用方法签名，URL，甚至服务名称作为资源名来标示资源。

规则

围绕资源的实时状态设定的规则，可以包括流量控制规则、熔断降级规则以及系统保护规则。所有规则可以动态实时调整。

Sentinel 功能和设计理念

流量控制

流量控制在网络传输中是一个常用的概念，它用于调整网络包的发送数据。然而，从系统稳定性角度考虑，在处理请求的速度上，也有非常多的讲究。任意时间到来的请求往往是随机不可控的，而系统的处理能力是有限的。我们需要根据系统的处理能力对流量进行控制。Sentinel 作为一个调配器，可以根据需要把随机的请求调整成合适的形状，如下图所示：

流量控制有以下几个角度:

资源的调用关系，例如资源的调用链路，资源和资源之间的关系；
运行指标，例如 QPS、线程池、系统负载等；
控制的效果，例如直接限流、冷启动、排队等。

Sentinel 的设计理念是自由选择控制的角度，并进行灵活组合，从而达到想要的效果。

熔断降级

通过并发线程数进行限制

和资源池隔离的方法不同，Sentinel 通过限制资源并发线程的数量，来减少不稳定资源对其它资源的影响。这样不但没有线程切换的损耗，也不需要您预先分配线程池的大小。当某个资源出现不稳定的情况下，例如响应时间变长，对资源的直接影响就是会造成线程数的逐步堆积。当线程数在特定资源上堆积到一定的数量之后，对该资源的新请求就会被拒绝。堆积的线程完成任务后才开始继续接收请求。

通过响应时间对资源进行降级

除了对并发线程数进行控制以外，Sentinel 还可以通过响应时间来快速降级不稳定的资源。当依赖的资源出现响应时间过长后，所有对该资源的访问都会被直接拒绝，直到过了指定的时间窗口之后才重新恢复。

Sentinel工作主流程

在 Sentinel 里面，所有的资源都对应一个资源名称（resourceName），每次资源调用都会创建一个 Entry 对象。Entry 可以通过对主流框架的适配自动创建，也可以通过注解的方式或调用 SphU API 显式创建。Entry 创建的时候，同时也会创建一系列功能插槽（slot chain），这些插槽有不同的职责，例如:

NodeSelectorSlot 负责收集资源的路径，并将这些资源的调用路径，以树状结构存储起来，用于根据调用路径来限流降级；
ClusterBuilderSlot 则用于存储资源的统计信息以及调用者信息，例如该资源的 RT, QPS, thread count 等等，这些信息将用作为多维度限流，降级的依据；
StatisticSlot 则用于记录、统计不同纬度的 runtime 指标监控信息；
FlowSlot 则用于根据预设的限流规则以及前面 slot 统计的状态，来进行流量控制；
AuthoritySlot 则根据配置的黑白名单和调用来源信息，来做黑白名单控制；
DegradeSlot 则通过统计信息以及预设的规则，来做熔断降级；
SystemSlot 则通过系统的状态，例如 load1 等，来控制总的入口流量；

Sentinel 将 ProcessorSlot 作为 SPI 接口进行扩展（1.7.2 版本以前 SlotChainBuilder 作为 SPI），使得 Slot Chain 具备了扩展的能力。可以自行加入自定义的 slot 并编排 slot 间的顺序，从而可以给 Sentinel 添加自定义的功能。

Sentinel快速开始

Sentinel进行资源保护的几个步骤：

定义资源
定义规则
检验规则是否生效

Entry entry = null;
// 务必保证 finally 会被执行
try {
  // 资源名可使用任意有业务语义的字符串  开启资源的保护
  entry = SphU.entry("自定义资源名");
  // 被保护的业务逻辑    method
  // do something...
} catch (BlockException ex) {
  // 资源访问阻止，被限流或被降级   Sentinel定义异常  流控规则，降级规则，热点参数规则。。。。   服务降级(降级规则)
  // 进行相应的处理操作
} catch (Throwable ex) {
  // 若需要配置降级规则，需要通过这种方式记录业务异常    RuntimeException     服务降级   mock  feign:fallback 
  Tracer.traceEntry(ex, entry);
} finally {
  // 务必保证 exit，务必保证每个 entry 与 exit 配对
  if (entry != null) {
    entry.exit();
  }

Sentinel资源保护的方式

基于API实现

引入依赖

<dependency>
     <groupId>com.alibaba.csp</groupId>
     <artifactId>sentinel-core</artifactId>
     <version>1.8.4</version>
</dependency>

编写测试逻辑

@RestController
@Slf4j
public class HelloController {

    private static final String RESOURCE_NAME = "HelloWorld";

    @RequestMapping(value = "/hello")
    public String hello() {
        try (Entry entry = SphU.entry(RESOURCE_NAME)) {
            // 被保护的逻辑
            log.info("hello world");
            return "hello world";
        } catch (BlockException ex) {
            // 处理被流控的逻辑
            log.info("blocked!");
            return "被流控了";
        }
    
    }
    /**
     * 定义流控规则
     */
    @PostConstruct
    private static void initFlowRules(){
        List<FlowRule> rules = new ArrayList<>();
        FlowRule rule = new FlowRule();
        //设置受保护的资源
        rule.setResource(RESOURCE_NAME);
        // 设置流控规则 QPS
        rule.setGrade(RuleConstant.FLOW_GRADE_QPS);
        // 设置受保护的资源阈值
        // Set limit QPS to 20.
        rule.setCount(1);
        rules.add(rule);
        // 加载配置好的规则
        FlowRuleManager.loadRules(rules);
    }
}

测试效果：http://localhost:8800/hello

缺点：

业务侵入性很强，需要在controller中写入非业务代码.
配置不灵活若需要添加新的受保护资源需要手动添加 init方法来添加流控规则

@SentinelResource注解实现

@SentinelResource 注解用来标识资源是否被限流、降级。

blockHandler: 定义当资源内部发生了BlockException应该进入的方法（捕获的是Sentinel定义的异常）。
fallback: 定义的是资源内部发生了Throwable应该进入的方法。
exceptionsToIgnore：配置fallback可以忽略的异常。

1 引入依赖

<dependency>
    <groupId>com.alibaba.csp</groupId>
    <artifactId>sentinel-annotation-aspectj</artifactId>
    <version>1.8.4</version>
</dependency>

2 配置切面支持

@Configuration
public class SentinelAspectConfiguration {

    @Bean
    public SentinelResourceAspect sentinelResourceAspect() {
        return new SentinelResourceAspect();
    }
}

3 UserController中编写测试逻辑，添加@SentinelResource，并配置blockHandler和fallback

@SentinelResource(value = "hello world",
        blockHandler = "handleException",
    fallback = "fallbackException")
@RequestMapping("/hello2")
public String hello2() {
    //int i = 1 / 0;
    return "helloworld";
}

public String handleException(BlockException ex){
    return "被流控了";
}
public String fallbackException(Throwable t){
    return "被异常降级了";
}


@RequestMapping(value = "/findOrderByUserId/{id}")
@SentinelResource(value = "findOrderByUserId",
                  fallback = "fallback",fallbackClass = ExceptionUtil.class,
                  blockHandler = "handleException",blockHandlerClass = ExceptionUtil.class
                 )
public R  findOrderByUserId(@PathVariable("id") Integer id) {
    //ribbon实现
    String url = "http://mall-order/order/findOrderByUserId/"+id;
    R result = restTemplate.getForObject(url,R.class);

    if(id==4){
        throw new IllegalArgumentException("非法参数异常");
    }
    return result;
}

4 流控规则设置可以通过Sentinel dashboard配置

客户端需要引入 Transport 模块来与 Sentinel 控制台进行通信。

<dependency>
    <groupId>com.alibaba.csp</groupId>
    <artifactId>sentinel-transport-simple-http</artifactId>
    <version>1.8.4</version>
</dependency>

5 启动 Sentinel 控制台

下载控制台 jar 包并在本地启动：可以参见此处文档

#启动控制台命令
java -jar sentinel-dashboard-1.8.4.jar

访问http://localhost:8080/#/login ,默认用户名密码： sentinel/sentinel

Spring Cloud Alibaba整合Sentinel

1.引入依赖

<dependency>
    <groupId>com.alibaba.cloud</groupId>
    <artifactId>spring-cloud-starter-alibaba-sentinel</artifactId>
</dependency>

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-actuator</artifactId>
</dependency>

2.添加yml配置，为微服务设置sentinel控制台地址

添加Sentinel后，需要暴露/actuator/sentinel端点,而Springboot默认是没有暴露该端点的，所以需要设置，测试http://localhost:8800/actuator/sentinel

server:
  port: 8800

spring:
  application:
    name: mall-user-sentinel-demo
  cloud:
    nacos:
      discovery:
        server-addr: 127.0.0.1:8848

    sentinel:
      transport:
        # 添加sentinel的控制台地址
        dashboard: 127.0.0.1:8080
        # 指定应用与Sentinel控制台交互的端口，应用本地会起一个该端口占用的HttpServer
        # port: 8719
    
#暴露actuator端点   
management:
  endpoints:
    web:
      exposure:
        include: '*'

3.在sentinel控制台中设置流控规则