要給Nacos的Udp通信功能點個贊

作者：二師兄 2021-09-06 06:45:07

網絡通信技術

Nacos在服務注冊功能中使用到了UDP的通信方式，主要功能就是用來輔助服務實例變化時對客戶端進行通知。然而，對于大多數使用Nacos的程序員來說，可能還不知道這個功能，更別說靈活運用了。

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本文轉載自微信公眾號「程序新視界」，作者二師兄。轉載本文請聯系程序新視界公眾號。

學習不用那么功利，二師兄帶你從更高維度輕松閱讀源碼～

看完整個源碼的實現，還是要為這一功能點個贊的，可以說非常巧妙和實用。但在實現上有一些不足，文末會進行指出。

本篇文章就帶大家從源碼層面來分析一下Nacos 2.0中是如何基于UDP協議來實現服務實例變更的通知。

UDP通知基本原理

在分析源碼之前，先來從整體上看一下Nacos中UDP的實現原理。

Nacos UDP基本原理

我們知道，UDP協議通信是雙向的，沒有所謂的客戶端和服務端，因此在客戶端和服務器端都會開啟UDP的監聽。客戶端是單獨開啟一個線程來處理UDP消息的。當采用HTTP協議與注冊中心通信時，，在客戶端調用服務訂閱接口時，會將客戶端的UPD信息(IP和端口)上送到注冊中心，注冊中心以PushClient對象來進行封裝和存儲。

當注冊中心有實例變化時，會發布一個ServiceChangeEvent事件，注冊中心監聽到這個事件之后，會遍歷存儲的PushClient，基于UDP協議對客戶端進行通知。客戶端接收到UDP通知，即可更新本地緩存的實例列表。

前面我們已經知道，基于HTTP協議進行服務注冊時，會有一個實例更新的時間差，因為是通過客戶端定時拉取服務器中的實例列表。如果拉取太頻繁，注冊中心壓力比較大，如果拉取的周期比較長，實例的變化又沒辦法快速感知到。而UDP協議的通知，恰恰彌補了這一缺點，所以說，要為基于UDP通知這個功能點個贊。

下面就來看看源碼層面是如何實現的。

客戶端UDP通知監聽與處理

客戶端在實例化NamingHttpClientProxy時，在其構造方法中會初始化PushReceiver。

public NamingHttpClientProxy(String namespaceId, SecurityProxy securityProxy, ServerListManager serverListManager, 
        Properties properties, ServiceInfoHolder serviceInfoHolder) { 
    // ... 
    // 構建BeatReactor 
    this.beatReactor = new BeatReactor(this, properties); 
    // 構建UDP端口監聽 
    this.pushReceiver = new PushReceiver(serviceInfoHolder); 
    // ... 
}

PushReceiver的構造方法，如下：

public PushReceiver(ServiceInfoHolder serviceInfoHolder) { 
    try { 
        // 持有ServiceInfoHolder引用 
        this.serviceInfoHolder = serviceInfoHolder; 
        // 獲取UDP端口 
        String udpPort = getPushReceiverUdpPort(); 
        // 根據端口情況，構建DatagramSocket，如果未設置端口，則采用隨機端口 
        if (StringUtils.isEmpty(udpPort)) { 
            this.udpSocket = new DatagramSocket(); 
        } else { 
            this.udpSocket = new DatagramSocket(new InetSocketAddress(Integer.parseInt(udpPort))); 
        } 
        // 創建只有一個線程的ScheduledExecutorService 
        this.executorService = new ScheduledThreadPoolExecutor(1, new ThreadFactory() { 
            @Override 
            public Thread newThread(Runnable r) { 
                Thread thread = new Thread(r); 
                thread.setDaemon(true); 
                thread.setName("com.alibaba.nacos.naming.push.receiver"); 
                return thread; 
            } 
        }); 
 
        // 執行線程，PushReceiver實現了Runnable接口 
        this.executorService.execute(this); 
    } catch (Exception e) { 
        NAMING_LOGGER.error("[NA] init udp socket failed", e); 
    } 
}

PushReceiver的構造方法做了以下操作：

第一、持有ServiceInfoHolder對象引用;
第二、獲取UDP端口;
第三、實例化DatagramSocket對象，用于發送和接收Socket數據;
第四，創建線程池，并執行PushReceiver(實現了Runnable接口);

既然PushReceiver實現了Runnable接口，run方法肯定是需要重新實現的：

@Override 
public void run() { 
    while (!closed) { 
        try { 
             
            // byte[] is initialized with 0 full filled by default 
            byte[] buffer = new byte[UDP_MSS]; 
            // 創建DatagramPacket用于存儲接收到的報文 
            DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length); 
            // 接收報文，在未接收到報文時會進行線程阻塞 
            udpSocket.receive(packet); 
            // 將報文轉換為json格式 
            String json = new String(IoUtils.tryDecompress(packet.getData()), UTF_8).trim(); 
            NAMING_LOGGER.info("received push data: " + json + " from " + packet.getAddress().toString()); 
            // 將json格式的報文轉換為PushPacket對象 
            PushPacket pushPacket = JacksonUtils.toObj(json, PushPacket.class); 
            String ack; 
            // 如果符合條件，則調用ServiceInfoHolder進行接收報文處理，并返回應答報文 
            if (PUSH_PACKAGE_TYPE_DOM.equals(pushPacket.type) || PUSH_PACKAGE_TYPE_SERVICE.equals(pushPacket.type)) { 
                serviceInfoHolder.processServiceInfo(pushPacket.data); 
                 
                // send ack to server 
                ack = "{\"type\": \"push-ack\"" + ", \"lastRefTime\":\"" + pushPacket.lastRefTime + "\", \"data\":" 
                        + "\"\"}"; 
            } else if (PUSH_PACKAGE_TYPE_DUMP.equals(pushPacket.type)) { 
                // dump data to server 
                ack = "{\"type\": \"dump-ack\"" + ", \"lastRefTime\": \"" + pushPacket.lastRefTime + "\", \"data\":" 
                        + "\"" + StringUtils.escapeJavaScript(JacksonUtils.toJson(serviceInfoHolder.getServiceInfoMap())) 
                        + "\"}"; 
            } else { 
                // do nothing send ack only 
                ack = "{\"type\": \"unknown-ack\"" + ", \"lastRefTime\":\"" + pushPacket.lastRefTime 
                        + "\", \"data\":" + "\"\"}"; 
            } 
            // 發送應答報文 
            udpSocket.send(new DatagramPacket(ack.getBytes(UTF_8), ack.getBytes(UTF_8).length, 
                    packet.getSocketAddress())); 
        } catch (Exception e) { 
            if (closed) { 
                return; 
            } 
            NAMING_LOGGER.error("[NA] error while receiving push data", e); 
        } 
    } 
}

PushReceiver#run方法主要處理了以下操作：

第一、構建DatagramPacket用于接收報文數據;
第二、通過DatagramSocket#receive方法阻塞等待報文的到來;
第三、DatagramSocket#receive接收到報文之后，方法繼續執行;
第四、解析JSON格式的報文為PushPacket對象;
第五、判斷報文類型，調用ServiceInfoHolder#processServiceInfo處理接收到的報文信息，在該方法中會將PushPacket轉化為ServiceInfo對象;
第六、封裝ACK信息(即應答報文信息);
第七、通過DatagramSocket發送應答報文;

上面我們看到了Nacos客戶端是如何基于UDP進行報文的監聽和處理的，但并未找到客戶端是如何將UDP信息上送給注冊中心的。下面我們就來梳理一下，上送UDP信息的邏輯。

客戶端上送UDP信息

在NamingHttpClientProxy中存儲了UDP_PORT_PARAM，即UDP的端口參數信息。

UDP端口信息通過實例查詢類接口進行傳遞，比如：查詢實例列表、查詢單個健康實例、查詢所有實例、訂閱接口、訂閱的更新任務UpdateTask等接口。在這些方法中都調用了NamingClientProxy#queryInstancesOfService方法。

NamingHttpClientProxy中的queryInstancesOfService方法實現：

@Override 
public ServiceInfo queryInstancesOfService(String serviceName, String groupName, String clusters, int udpPort, 
        boolean healthyOnly) throws NacosException { 
    final Map<String, String> params = new HashMap<String, String>(8); 
    params.put(CommonParams.NAMESPACE_ID, namespaceId); 
    params.put(CommonParams.SERVICE_NAME, NamingUtils.getGroupedName(serviceName, groupName)); 
    params.put(CLUSTERS_PARAM, clusters); 
    // 獲取UDP端口 
    params.put(UDP_PORT_PARAM, String.valueOf(udpPort)); 
    params.put(CLIENT_IP_PARAM, NetUtils.localIP()); 
    params.put(HEALTHY_ONLY_PARAM, String.valueOf(healthyOnly)); 
    String result = reqApi(UtilAndComs.nacosUrlBase + "/instance/list", params, HttpMethod.GET); 
    if (StringUtils.isNotEmpty(result)) { 
        return JacksonUtils.toObj(result, ServiceInfo.class); 
    } 
    return new ServiceInfo(NamingUtils.getGroupedName(serviceName, groupName), clusters); 
}

但查看源碼會發現，查詢實例列表、查詢單個健康實例、查詢所有實例、訂閱的更新任務UpdateTask中，UDP端口傳遞的參數值均為0。只有HTTP協議的訂閱接口取值為PushReceiver中的UDP端口號。

@Override 
public ServiceInfo subscribe(String serviceName, String groupName, String clusters) throws NacosException { 
    return queryInstancesOfService(serviceName, groupName, clusters, pushReceiver.getUdpPort(), false); 
}

在上面的代碼中我們已經知道PushReceiver中有一個getPushReceiverUdpPort的方法：

public static String getPushReceiverUdpPort() { 
    return System.getenv(PropertyKeyConst.PUSH_RECEIVER_UDP_PORT); 
}

很明顯，UDP的端口是通過環境變量設置的，對應的key為“push.receiver.udp.port”。

而在1.4.2版本中，HostReactor中的NamingProxy成員變量的queryList方法也會傳遞UDP端口：

public void updateService(String serviceName, String clusters) throws NacosException { 
    ServiceInfo oldService = getServiceInfo0(serviceName, clusters); 
    try { 
        String result = serverProxy.queryList(serviceName, clusters, pushReceiver.getUdpPort(), false); 
        if (StringUtils.isNotEmpty(result)) { 
            processServiceJson(result); 
        } 
    } finally { 
        // ... 
    } 
}

關于1.4.2版本中的實現，大家自行看源碼即可，這里不再展開。

完成了客戶端UDP基本信息的傳遞，再來看看服務器端是如何接收和存儲這些信息的。

UDP服務存儲

服務器端在獲取實例列表的接口中，對UDP端口進行了處理。

@GetMapping("/list") 
@Secured(parser = NamingResourceParser.class, action = ActionTypes.READ) 
public Object list(HttpServletRequest request) throws Exception { 
    // ... 
    // 如果沒有獲得UDP端口信息，則默認端口為0 
    int udpPort = Integer.parseInt(WebUtils.optional(request, "udpPort", "0")); 
    // ... 
    // 客戶端的IP、UDP端口封裝到Subscriber對象中 
    Subscriber subscriber = new Subscriber(clientIP + ":" + udpPort, agent, app, clientIP, namespaceId, serviceName, 
            udpPort, clusters); 
    return getInstanceOperator().listInstance(namespaceId, serviceName, subscriber, clusters, healthyOnly); 
}

在getInstanceOperator()方法中會獲得當前采用的哪個協議，然后選擇對應的處理類：

/** 
 * 判斷并返回采用V1版本或V2版本的操作服務 
 * @return V1：Jraft協議（服務器端）；V2：gRpc協議（客戶端） 
 */ 
private InstanceOperator getInstanceOperator() { 
    return upgradeJudgement.isUseGrpcFeatures() ? instanceServiceV2 : instanceServiceV1; 
}

這里具體的實現類為InstanceOperatorServiceImpl：

@Override 
public ServiceInfo listInstance(String namespaceId, String serviceName, Subscriber subscriber, String cluster, 
        boolean healthOnly) throws Exception { 
    ClientInfo clientInfo = new ClientInfo(subscriber.getAgent()); 
    String clientIP = subscriber.getIp(); 
    ServiceInfo result = new ServiceInfo(serviceName, cluster); 
    Service service = serviceManager.getService(namespaceId, serviceName); 
    long cacheMillis = switchDomain.getDefaultCacheMillis(); 
    // now try to enable the push 
    try { 
        // 處理支持UDP協議的客戶端信息 
        if (subscriber.getPort() > 0 && pushService.canEnablePush(subscriber.getAgent())) { 
            subscriberServiceV1.addClient(namespaceId, serviceName, cluster, subscriber.getAgent(), 
                    new InetSocketAddress(clientIP, subscriber.getPort()), pushDataSource, StringUtils.EMPTY, 
                    StringUtils.EMPTY); 
            cacheMillis = switchDomain.getPushCacheMillis(serviceName); 
        } 
    } catch (Exception e) { 
        // ... 
    } 
    // ... 
}

當UDP端口大于0，且agent參數定義的客戶端支持UDP，則將對應的客戶端信息封裝到InetSocketAddress對象中，然后放入NamingSubscriberServiceV1Impl中(該類已經被廢棄，看后續如何調整該方法實現)。

在NamingSubscriberServiceV1Impl中，會將對應的參數封裝為PushClient，存放在Map當中。

public void addClient(String namespaceId, String serviceName, String clusters, String agent, 
        InetSocketAddress socketAddr, DataSource dataSource, String tenant, String app) { 
     
    PushClient client = new PushClient(namespaceId, serviceName, clusters, agent, socketAddr, dataSource, tenant, 
            app); 
    addClient(client); 
}

addClient方法會將PushClient信息存放到ConcurrentMap

private final ConcurrentMap<String, ConcurrentMap<String, PushClient>> clientMap = new ConcurrentHashMap<>(); 
 
public void addClient(PushClient client) { 
        // client is stored by key 'serviceName' because notify event is driven by serviceName change 
        String serviceKey = UtilsAndCommons.assembleFullServiceName(client.getNamespaceId(), client.getServiceName()); 
        ConcurrentMap<String, PushClient> clients = clientMap.get(serviceKey); 
        if (clients == null) { 
            clientMap.putIfAbsent(serviceKey, new ConcurrentHashMap<>(1024)); 
            clients = clientMap.get(serviceKey); 
        } 
         
        PushClient oldClient = clients.get(client.toString()); 
        if (oldClient != null) { 
            oldClient.refresh(); 
        } else { 
            PushClient res = clients.putIfAbsent(client.toString(), client); 
           // ... 
        } 
    }

此時，UDP的IP、端口信息已經封裝到PushClient當中，并存儲在NamingSubscriberServiceV1Impl的成員變量當中。

注冊中心的UDP通知

當服務端發現某個實例發生了變化，比如主動注銷了，會發布一個ServiceChangeEvent事件，UdpPushService會監聽到該事件，并進行業務處理。

在UdpPushService的onApplicationEvent方法中，會根據PushClient的具體情況進行移除或發送UDP通知。onApplicationEvent中核心邏輯代碼如下：

ConcurrentMap<String, PushClient> clients = subscriberServiceV1.getClientMap() 
        .get(UtilsAndCommons.assembleFullServiceName(namespaceId, serviceName)); 
if (MapUtils.isEmpty(clients)) { 
    return; 
} 
 
Map<String, Object> cache = new HashMap<>(16); 
long lastRefTime = System.nanoTime(); 
for (PushClient client : clients.values()) { 
    // 移除僵尸客戶端 
    if (client.zombie()) { 
        Loggers.PUSH.debug("client is zombie: " + client); 
        clients.remove(client.toString()); 
        Loggers.PUSH.debug("client is zombie: " + client); 
        continue; 
    } 
     
    AckEntry ackEntry; 
    String key = getPushCacheKey(serviceName, client.getIp(), client.getAgent()); 
    byte[] compressData = null; 
    Map<String, Object> data = null; 
    if (switchDomain.getDefaultPushCacheMillis() >= 20000 && cache.containsKey(key)) { 
        org.javatuples.Pair pair = (org.javatuples.Pair) cache.get(key); 
        compressData = (byte[]) (pair.getValue0()); 
        data = (Map<String, Object>) pair.getValue1(); 
    } 
     
    // 封裝AckEntry對象 
    if (compressData != null) { 
        ackEntry = prepareAckEntry(client, compressData, data, lastRefTime); 
    } else { 
        ackEntry = prepareAckEntry(client, prepareHostsData(client), lastRefTime); 
        if (ackEntry != null) { 
            cache.put(key, new org.javatuples.Pair<>(ackEntry.getOrigin().getData(), ackEntry.getData())); 
        } 
    } 
    // 通過UDP通知其他客戶端 
    udpPush(ackEntry); 
}

事件處理的核心邏輯是就是先判斷PushClient的狀態信息，如果已經是僵尸客戶端，則移除。然后將發送UDP的報文信息和接收客戶端的信息封裝為AckEntry對象，然后調用udpPush方法，進行UDP消息的發送。

注冊中心的UDP接收

在看客戶端源碼的時候，我們看到客戶端不僅會接收UDP請求，而且還會進行應答。那么注冊中心怎么接收應答呢?也在UdpPushService類中，該類內部的靜態代碼塊初始化一個UDP的DatagramSocket，用來接收消息：

static { 
    try { 
        udpSocket = new DatagramSocket(); 
        Receiver receiver = new Receiver(); 
        Thread inThread = new Thread(receiver); 
        inThread.setDaemon(true); 
        inThread.setName("com.alibaba.nacos.naming.push.receiver"); 
        inThread.start(); 
    } catch (SocketException e) { 
        Loggers.SRV_LOG.error("[NACOS-PUSH] failed to init push service"); 
    } 
}

Receiver是一個內部類，實現了Runnable接口，在其run方法中主要就是接收報文信息，然后進行報文消息的判斷，根據判斷結果，操作本地Map中數據。

UDP設計不足

文章最開始就寫到，UDP的設計非常棒，即彌補了HTTP定時拉取的不足，又不至于太影響性能。但目前Nacos在UDP方面有一些不足，也可能是個人的吹毛求疵吧。

第一，文檔中沒有明確說明UDP的功能如何使用，這導致很多使用者在使用時并不知道UDP功能的存在，以及使用的限制條件。

第二，對云服務不友好。客戶端的UDP端口可以自定義，但服務器端的UDP端口是隨機獲取到。在云服務中，即便是內網服務，UDP端口也是被防火墻限制的。如果服務端的UDP端口是隨機獲取(客戶端默認也是)，那么UDP的通信將直接被防火墻攔截掉，而用戶根本看不到任何異常(UDP協議不關注客戶端是否收到消息)。

至于這兩點，說起來算是瑕不掩瑜，讀完源碼或讀過我這篇文章的朋友大概已經知道怎么用了。后續可以給官方提一個Issue，看看是否可以改進。

小結

本文重點從三個方面講解的Nacos基于UDP的服務實例變更通知：

第一，客戶端監聽UDP端口，當接收注冊中心發來的服務實例變化，可以及時的更新本地的實例緩存;

第二，客戶端通過訂閱接口，將自身的UDP信息發送給注冊中心，注冊中心進行存儲;

第三，注冊中心中實例發生了變化，通過事件機制，將變更信息通過UDP協議發送給客戶端。

經過本篇文章，想必你不僅了解了Nacos中UDP協議的通知機制。同時，也開拓了一個新的思路，即如何使用UDP，在什么場景下使用UDP，以及在云服務中使用UDP可能會存在的問題。如果這篇文章對你有幫助，關注或點贊都可以。

責任編輯：武曉燕來源：程序新視界

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