异数OS TCP协议栈测试（三）--长连接篇

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异数OS TCP长连接技术简介

说起长连接，则首先要谈对C10K的理解与认识，异数OS认为传统系统中C10K问题主要如下：

1. 传统OS 线程切换代价很大，线程资源有限（500以上可用性降低），这使得多线程阻塞IO性能达到1W时，线程切换将占满系统负载，应用并发session数量则被系统线程数量约束，但多线程阻塞IO这种模式对应用逻辑设计而言却是天然简单友好靠谱的，而异数OS线程切换能力为80M, 1亿线程4G内存，也不会降低太多线程切换能力以及IO能力，所以使用这种方案。

2. 为了避免线程切换以及线程资源不够带来的问题，主流操作系统使用队列技术(iocp epoll)来批量成倍提升IO性能，每次线程切换完成10个甚至数百个IO操作或者event推送，使用异步技术来让单个线程管理多个session的能力，所以表面上看提高了并发容量，但这类技术却大大降低了并发质量反而造成了更严重的C10K问题，使用这一技术，每个链接必须要提供中间传输缓存，链接多了后，IO需求大时，队列会很长，延迟会很高，加重了系统负担，由于这类技术都是非阻塞异步IO,不能较好的阻塞session应用逻辑，因此无法为每链接做可靠的业务流程控制以及QOS控制，链接多了，就会有饿死的链接，出现大量错误IO，相对多线程阻塞IO模式，雪崩问题更加严重。

3. TCP协议栈没有为海量链接做优化，其常见的流控拥塞算法都只针对链接自身的IO性能，并不考虑上层应用实际需求，以及其他链接的IO需求，在这种情况下TCP检查网络拥塞的算法将没有任何意义，实际测试发现如果每链接IO不做控制，1000链接都很难上去，正确的做法是将拥塞控制算法提高到系统层以及应用层由系统QOS任务调度以及应用需求共同来实现。

4. 协议栈中间缓存太多，拷贝动作较多,传统OS每链接协议栈需要4K以上内存，实做一个1000W链接的系统一般要60G内存起步，这直接增加了系统负载，降低了系统可用性。

5. 协议栈IO性能不足，由于传统操作系统IO性能约束，实做的协议栈只能提供10-40W的IO性能，并且不能多核扩充，IO过载时会，协议栈会出现无响应丢包现象，丢包后协议栈性能需求会更高，能提供的IO性能会大大降低，如果应用不能适应这种IO性能变化，将会制造更多的中间缓存，导致雪崩，在这样的情况下，做1000W链接的应用可用性会受到极大的限制，比如微信使用这一类技术就只能用于心跳链接活跃检查。

一些号称实做了C10M的技术方案从本质上没有解决上述问题，仅仅靠硬件技术堆硬件配置来表面实现，但实际上却没有任何可用性。

异数OS TCP长连接技术演变

2015年，异数OS考虑开始使用海量线程同步阻塞IO的方案来解决iocp不能做QOS,队列过长的问题，异数OS使用任务调度来控制每链接的IO提交性能需求，并智能感知雪崩情况的发生，动态控制IO性能以及应用提交的中间缓存规模，从而减少了中间缓存开销，降低了海量并发下iocp队列深度，降低对宿主操作系统的负载压力，从而实现了1000W链接12W的消息推送性能。

2017年，由于发现宿主操作系统协议栈的能力约束，异数OS决定抛弃宿主操作系统协议栈，以及IO技术，开始自主研发TCP协议栈，实做0中间缓存，1次中间拷贝的技术，从而达到每链接300字节占用，并发容量相对异数OS 2015,提高15倍，IO性能提升100倍，且可以多核扩充，大大提高了海量并发环境的系统可用性。

测试目标

TCP 长链接IO性能测试，Client Server都采用单线程半双工模式，创建600W客户端（本机测试相当于1200W链接），链接服务端后做循环ECHO,测试ECHO IO性能，IO延迟，每链接性能稳定性。

基本测试环境

VMware 12

异数OS宿主操作系统 debian 8 64位

CPU : NUC i3 2.6G 双核

内存:5GB

测试方案一 (单核)

在同一个CPU核上创建Server,600W个Client, 以太层使用异数OS软件交换机本地核定向转发。

启动前期：

启动后期（2个多小时后）：

总计ECHO IOPS 为2.3M ,软件交换机包交换能力9Mpps，由于Client占用60%的负载，软件交换机占用20%负载，所以预计真实环境中最大可达到6.0M左右的ECHO能力，IO延迟方面，在系统启动阶段由于大量链接的建立，每链接IO需求不稳定，系统QOS IO均衡并没有显著的发生作用，平均延迟达到了2秒，一些链接任然有饥饿现象，出现上百秒才响应的情况，在稳定链接后期,每链接IO需求稳定后，IO延迟下降，饥饿现象得到缓解，但还是有10s延迟的链接出现。

总结

由于只使用了TCP协议栈的任务均衡调度控制方案，因此每链接IO质量在应用负载不均的情况下还是不能得到及早的控制，这个问题后面会由应用系统的QOS来解决，比如mqtt等专业的APP QOS控制,下面是几种主流系统的海量链接平台能力性能对比，数据来自官网以及第三方测试，可比性可能不高，但也可做参考估算，读者如有其他海量并发的技术测试也欢迎提供

对比项目	异数OS 2018	异数OS 2015+Win7	异数OS 2015+Win10	360push	Whatsapp
CPU占用数量	1	16	16	24	12
内存占用	4G	64G	64G	256G	128G
实现的链接数	1200W	1000W	300W	100W	300W
使用的技术平台	寄宿Linux下+异数自主协议栈	寄宿win下+iocp	寄宿win下+iocp	Go+epoll	Erlang+epoll
测试内容	ECHO 推拉	仅推	仅推	仅推	仅推
推送性能	4.5M	12W	40W	2W	12W
折算的IO性能	9M	12W	40W	2W	12W
已知问题	缺乏经费支持	缺乏经费支持	缺乏经费支持	容易宕机，要反复重启	特制应用平台，不同用。