快速界定故障：Socket Tracer网络监控实践

清疚 2022-09-02 12:47 295阅读 0赞

**简介：** Socket Tracer定位是传输层(Socket&TCP)的指标采集工具，通过补齐网络监控的这部分盲区，来达到快速界定网络问题的目标。

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作者 | 四忌

来源 | 阿里技术公众号

# **一  背景** #

随着软件应用的集群化、容器化、微服务化，产品的稳定性越来越依赖网络。现有的专有云和一体机产品，部署在裸机，从硬件服务器、交换机到os都是不可靠的，且监控盲区较多，其中网络是重灾区。对于网络不稳定导致的中间件链接超时、设备掉线、视频推流卡顿等问题，缺乏有效的网络层监控指标定界问题。一旦现场不存在，由网络引发的问题很难定位。现有的网络监控方案，都集中在网卡维度做流量、错包等指标统计，粒度过粗，只有从Socket和TCP连接维度，监控socket缓存状态，采集TCP建连、断开、实时流量、延迟、重传等信息，才可以最直接的反映业务的网络状态。

# 二  目标 #

现有的网络监控工具如 ss、netstat 等，可以显示服务器当前 Socket 状态快照，在问题现场可以有效的辅助我们排查问题。当现场不存在，我们希望能有工具能保存历史网络状态。然而单纯记录历史 Socket 五元组信息，在复杂拓扑场景是不够的，因为IP很可能是动态的，还须将当前时刻的 Socket 连接和业务属性（Pod Name、设备身份...）关联，才能达到还原问题现场，快速界定故障域的目的。

## 1  典型场景 ##

*  集群中间件访问超时问题定界。
 *  数据采集丢包问题定界：例如设备侧声称发包，但网关没有收到，现场不在了，互相扯皮。
 *  设备连云链路检测。
 *  视频直播卡顿问题定界。

##  2  能力综述 ##

### Socket维度信息采集 ###

*  流量(tx/rx)、延迟(srtt)，待重传包数量、总重传次数、收发队列长度，Accept队列长度。
 *  TCP 生命周期监控：监听TCP Close事件，统计连接时长，收发包总字节数。
 *  TCP Reset异常监控：收到或者发送Reset的异常，及异常时刻的TCP State。

### 云原生监控方案适配 ###

*  现有的netstat、ss等网络信息统计工具，无法做到跨network namespce的socket信息统计。在云原生环境使用不便。需要做到监控k8s集群所有节点，及节点上所有Pod的Socket状态。
 *  采集数据指标化，支持对接 Prometheus 的 Exporter 接口。
 *  支持指标推送到 VictoriaMetrics。

### 指标选取原理 ###

TCP的指标有很多，为什么采集上述的指标信息，出发点是希望找到可以反映应用程序状态和网络连通状态指标，如果有其它指标采集建议也欢迎留言。下面展开分析下上述指标的采集原因：

1）TCP Retransmit

包重传的超时时间是RTO，通常是200ms左右，当我们观察到一段时间出现了TCP包重传，后续又恢复正常了，可以判断这个时间段出现了网络抖动, 就可以找网络的同学来帮忙排查问题了。

2）TCP SRTTRTT

(round-trip time)为数据完全发送完（完成最后一个比特推送到数据链路上）到收到确认信号的时间。

SRTT(smoothed round trip time)是平滑过的RTT。

通过srtt历史曲线图或柱状图，观察出来延迟的区间变化，就可以知道网络连接的srtt是否抖动。如果业务延迟发生了抖动，srtt很稳定，就可以说明大概率不是网络的问题，可能是业务的问题，或者调度的问题等等; 反之，如果srtt也发生了抖动，那么可以先检查一下网络连接。

3）TCP Tx/Rx

监控链接的流量，结合对现场业务的理解，在业务出现丢失数据场景，可以辅助定位时网络问题还是应用问题：

*  传输层收到数据，但堆积在rcv\_queue中，可能是应用层处理代码阻塞。
 *  传输层Rx没有增加，则很可能是对端没有发送数据。

4）TCP reset reasons

Reset 包是导致TCP异常断开的常见原因之一，下面对可能触发 reset 事件的原因做一个汇总（如有错漏欢迎补充）：

*  Non-Existence TCP endpoint: Port or IP（Restrict Local IP address）：服务端不存在。(SYN -> Server reset)
 *  TCP SYN matches existing sessions：服务端、或者防火墙已存在相同5元组连接。(SYN -> Server reset)
 *  Listening endPoint Queue Full ：应用层没有及时accept，导致服务端Accept队列满（全链接队列满），分两种情况：对于新来握手请求 SYN -> SYN包会被Server默默丢弃，不会触发reset；碰巧在Client 回 ACK(握手第三个包)时，accept 队列满了，Server 会根据 tcp\_abort\_on\_overflow sysctl 配置，决定是否发送 reset。
 *  Half-Open Connections：服务端程序重启，导致链接信息丢失。(中间数据-> Server reset)
 *  RESET by Firewalls in transit：在防火墙维护session状态的场景（NAT网关），防火墙Session TTL过期。(中间数据-> FW reset)
 *  Time-Wait Assassination：Client Time-Wait 期间，收到 Server 端迟到的数据包，回送Ack给Server，导致Server发送Rst包。(Server 迟到数据 -> Client Ack-> Server Reset)
 *  Aborting Connection：客户端Abort，内核发送reset给服务端。(Client Reset)

# 三  实现原理 #

Socket Tracer 使用 eBPF+Tracepoint 捕捉 TCP 的 reset&new&close 等事件，使用 netlink + tcp\_diag 周期抓取内核 Socket 信息快照。

## 1  eBPF ##

背后的思想是：“与其把数据包复制到用户空间执行用户态程序过滤，不如把过滤程序灌进内核去”。

eBPF 是一个在内核中运行的虚拟机，它可以去运行用户。在用户态实现的这种 eBPF 的代码，在内核以本地代码的形式和速度去执行，它可以跟内核的 Trace 系统相结合，给我们提供了几乎无限的可观测性。

eBPF 的基本原理：它所有的接口都是通过 BPF 系统调用来跟内核进行交互，eBPF 程序通过 LVM 和 Cline 进行编译，产生 eBPF 的字节码，通过 BPF 系统调用，加载到内核，验证代码的安全性，从而通过 JIT 实时的转化成 Native 的 X86 的指令。eBPF整体架构如下：

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## 2  kprobe ##

当安装一个kprobes探测点时，kprobe首先备份被探测的指令，然后使用断点指令(即在i386和x86\_64的int3指令)来取代被探测指令的头一个或几个字节。

当CPU执行到探测点时，将因运行断点指令而执行trap操作，那将导致保存CPU的寄存器，调用相应的trap处理函数，而trap处理函数将调用相应的notifier\_call\_chain（内核中一种异步工作机制）中注册的所有notifier函数，kprobe正是通过向trap对应的notifier\_call\_chain注册关联到探测点的处理函数来实现探测处理的。

当kprobe注册的notifier被执行时，它首先执行关联到探测点的pre\_handler函数，并把相应的kprobe struct和保存的寄存器作为该函数的参数，接着，kprobe单步执行被探测指令的备份，最后，kprobe执行post\_handler。等所有这些运行完毕后，紧跟在被探测指令后的指令流将被正常执行。

## 3  tracepoint ##

tracepoint和kprobe相比，tracepoint是一个静态的hook函数，是预先在内核里面编写好才使用。tracepoint实现是基于hooks的思想，在函数的入口就被放置一个probe点，这个probe点就会跟踪调用这个函数的各种信息，并将追踪的信息保存到一个环形队列中去，如果用户希望读取这些内核，就会通过debugfs形式来访问。

## 4  方案选型 ##

### eBPF 调用方案 ###

对比调用eBPF能力的三种方案，bpftrace / bcc / libbpf，最终选择bcc：

*  bpftrace提供了脚本语言，方便输出内核信息到控制台，做CLI工具很方便。但没有提供API接口，不方便后台代码调用和信息读取。
 *  libbpf会直接把内核bpf代码编译成bin文件，再放到目标机运行。目标是一次编译，四处运行，为了解决跨内核版本(配置)的可移植问题，需依赖BTF kernel选项，目前绝大部分内核默认没有打开该功能，需要修改配置重新编译kernel才行。
 *  bcc在目标机环境运行阶段，动态编译bpf内核代码，来解决可移植性问题。是现阶段使用最广的方案，绝大部分bpf监控工具都基于bcc-tools；并且提供API接口，便于代码集成，其中内核代码基于C语言，应用层代码提供python和go两种语言API。

### Socket 信息采集方案 ###

eBPF+kprobe在目标函数上动态挂载hook函数，在高频调用（收发包函数）的场景额外开销较大，因此在周期统计socket链接收发数据量、重传次数等场景，我们参考 ss 的实现，基于 linux netlink + tcp\_diag 内核模块，该方案适合应用主动抓取某个时间点socket 统计信息快照，可以减少额外性能开销。

## 5  整体架构图 ##

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# **四  部署和配置方法** #

## 1  命令行参数定义 ##

包含Socket采集过滤配置文件路径，socket信息采集周期，vm-insert的URL地址。

bash-5.0# ./socktracer --help
    Usage of ./socktracer:
      -configfile string
          Socket tracer target config file (default "/etc/filter.yaml")
      -metricsCacheNum int
          Metrics local cached number (default 10000)
      -namespace string
          Namespace for metrics
      -sockScanInterval int
          Socket statistical information scan interval (default 30)
      -version
          Show version information and exit
      -vmaddr string
          URL of Victoria Metrics write address
      -web.listen-address string
          Address to listen on for web interface and telemetry. (default ":8080")
      -web.metrics-path string
          Path under which to expose metrics. (default "/metrics")

## 2  Socket采集过滤配置文件格式 ##

一台服务器上的Socket连接数量非常多，数据量和比较大，我们往往只关心部分服务的相关连接，就像tcpdump我们也往往会对IP和端口做过滤一样。过滤配置文件使用yaml格式，定义如下：

filter.yaml配置文件定义，用于配置过滤需跟踪的 Socket 链接：type SocketID struct {
        Protocol  string `yaml:"protocol"`  // Only support TCPv4 currently, will support UDP and IPv6 when needed.
        LocalIP   string `yaml:"localIP"`   // Specify local IP, will overwrite LocalPod when both set
        LocalPod  string `yaml:"localPod"`  // Specify prefix of local podName, will be overwritten by LocalIP when both set
        LocalPort int    `yaml:"localPort"` // Specify local Port, set to 0 means do not filter local port
        PeerIP    string `yaml:"peerIP"`    // Specify peer IP, will overwrite PeerPod when both set
        PeerPort  int    `yaml:"peerPort"`  // Specify peer Port, set to 0 means do not filter peer port
        PeerPod   string `yaml:"peerPod"`   // Specify prefix of peer podName, will be overwritten by PeerIP when both set
    }
    
    样例：bash-5.0# cat /etc/filter.yaml
    filters:
      - localIP: ""                //采集目标1：不指定本地IP，可以不配置或者设置为空
        localPort: 6379            //指定本地端口，通常选择固定的server端口作为过滤条件
        localPod: "default/redis-" //指定本地PodName前缀，格式为: namespace/podName前缀
      - localPod: "default/iotx-event-center"  // 采集目标2：指定本地PodName前缀。peerPod: "default/redis-"  //指定对端PodName前缀，格式为: namespace/podName前缀
        peerPort: 6379             //指定对端端口

# **五  前台展示** #

## 1  Grafana Dashboard ##

下图中，连接到 redis server 的所有TCP连接（来自不同的Client+Port）都会被监控，展示总并发连接数和连接的 rtt(延迟) 等信息：

![444.jpg][]

![555.jpg][]

![666.jpg][]

## 2  内核版本依赖（>=4.9） ##

Socket 信息采集依赖 tcp\_diag 内核模块。

eBPF 还在快速发展期，内核中的功能也日趋增强，一般推荐基于Linux 4.4+ (4.9 以上会更好) 内核的来使用 eBPF。部分 Linux Event 和 BPF 版本支持见下图：

![640.png][]

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[444.jpg]: /images/20220829/824649787eac4bc0bfeda5218dcd04ed.png
[555.jpg]: /images/20220829/eb9e6216b1c044d8bbf0351b5b9e2450.png
[666.jpg]: /images/20220829/2c3e599285614d5f9a23b92bfb9a8433.png
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