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[网络协议]It‘s Time to Replace TCP in the Datacenter 读后

从经理那了解到一个有趣的分享:

It’s Time to Replace TCP in the Datacenter

以及与它相关的论文:It’s Time to Replace TCP in the Datacenter[PDF]

对 TCP in DC 的吐槽,就我这水平,大致内容和 John Ousterhout 的分享相差亦无几,看起来已是共识。基本上,TCP in DC 的问题在于:

  • Stream 抽象无法利用主机并发资源,无法多线程负载均衡处理消息(屡次谈到消息边界)。
  • Connection 抽象消耗内存和时间,发送短消息也要三次握手并存储 state。

此外,还有拥塞控制的 issues,不再评论原文。

抛开人文和历史,论文中每一个细节都能作为一个主题来优化,至少可写一篇长文。但这是加薪晋升和公众号涨粉的事,我还是喜欢讲形而上和历史。

DC 和 Internet 有什么本质不同,以至于非要一个 Replacement for TCP in the Datacenter。
DC 不是一个网络,从空中看,一个 DC 就是一台机器,机架就是 CPU 槽,内存槽,每台机器里跑的是 “微服务”,微服务之间传递的是 “消息”。

微服务分布式部署,分布式的愿景是 “不同的部分完成同一件事”,两台机器保存相同的数据意味着冗余,这与分布式愿景背道而驰。只传递指令少传递数据的传输是 DC 中高尚的传输,典型的是 RPC。

多核服务器中,Core 负责计算,Mem 负责数据,无论 Core 间通信,还是 Core 和 Mem 通信,很容易理解减少甚至避免大块内存拷贝的意义,仅做计算以及 Load/Store 指令,换做 DC 网络传输,同理,流式大块数据传输即内存拷贝,趋向减少,尽可避免。

这就是 “TCP in DC 不再适合” 的根本(读一读《云原生模式-设计拥抱变化的软件》是高尚的)。因为场景与 Internet 完全不一致。

要在 DC 传输流式大块数据时,先别问如何优化传输,先问这次传输真的必要吗?为什么不能本地处理,非要传输到远端?如需分布式存储,数据落盘就应散列落盘才对,不同的设计会影响行为制定。

总之,在 DC 网络中很少需要流式大块数据传输,甚至一个 “TCP 连接” 都是转瞬即逝的。

对于短消息传输,Connless 至关重要!它亦是 “颠倒一下” 的典型案例,从而将 per-peer Connection 转换为了 per-call Connection,甚至 per-message Connection。由此,内存的消耗将仅受并发的限制。

试想,如果短消息大扇入的同时又大扇出,若保持 per-peer Connection,为保存 state 的内存占用即 O(n^2),如果 per-call Connection,state 的生命周期便和 call/message 生命周期一致了。

说下拥塞控制相关 issue。

TCP 那套拥塞控制是反馈式的,Rate-based 也好,AIMD 也好,都在一条持续的流上起作用。对于 DC 网络典型的短消息传输,尚未获取到足够的反馈信息,传输已结束,任何高尚算法的初始参数便同盲猜无异。

So? 拥塞控制的思路一定要改。

和 TCP 长流的慢启动策略相反,对短消息传输,线速突发反而更有效。DC 网卡带宽越来越大,以 25Gbps 为例,DC 内普遍 RTT 在 50us,1 个 RTT 内可发送 100 个 1500B 的报文。现实中,这已是一笔很大的数据。更普遍的场景,一则 RPC 消息在一次突发传输结束的概率非常大。

TCPer 们写了高尚的算法,非常精细地测量和使用 ACK 信息,还没等到 ACK,来不及运作,传输已结束,到头来只有一个 init cwnd 有用,DC 内有效的拥塞控制工作绝大多数时刻只是确定一个 init cwnd。

至于拥塞控制的实际实施,交换机只要支持 “越短消息越优先” 就能保证足够公平,剩下的交给 PFC,ECN,Host-AIMD。

最后,关于可靠传输,这也是循惯了 TCP 的影子后,最令人纠结的一点,连接都没了,哪里保存 Timer,哪里保存重传信息。就好像传输协议必须是 yet another TCP 一样。

早些时候我也没想通,后来从远处看就想通了。

首先,传输不一定必须可靠,应用更懂该怎么做。应用在时间阈值后没得到回复,请求别的目标可能优于死等,换句话说,传输可以失败,只要应用知道如何应对失败即可。

其次,如果应用需要传输层保证可靠,以 per-call 作为事务进行可靠传输即可。该策略亦衍生自短消息特征。每一次传输将消息数量和大小作为元数据,这很容易帮助接收端检测空洞并发起 NAK,同时,发送端在时间阈值内未收到 response 即重传。

下图展示 Homa 的做法:
在这里插入图片描述
说回 John Ousterhout 的演讲和论文,我承认他所谓 “We Need a Replacement for TCP in the Datacenter”,但若只为推广 Homa,说这么多反而啰嗦。因为早在多年以前很多人就知道这件事了。

TCP 没有被轻易换掉的原因不是技术,而是成本。若真因为技术,TCP 早被替换好几回了,不光在 DC,在 Internet 或许也早就没了影子。问题在于,罗列对错是一回事,撼动合理的当下是另一回事。

当然,大多数程序员不屑于讨论和技术细节无关的投入产出问题,换句话说,程序员更倾向于识别正确的方案并实现,而不管值不值得。

幸运的是,人们已经认识到一辆普通的车也好于一匹更快的马,将更多资源投入 DC transport 而不是优化 TCP。相反,但凡拿着 TCP 那套可怜而受限的机制迭代优化,其行为便无异于寻找更快的马了。

信惯了 TCP,别的模型都不对。复杂性从主机加诸网卡和交换机,与 Internet 端到端原则背道而驰,会引起很多不适,但事情要从根本去问,端到端原则普遍正确吗?

端到端原则最大的收益是扩展性,这是 Internet 快速发展的核心。但 DC 相对固定,没有异构新节点频繁接入的需求,另一方面,DC 服务器属计算资源,倾向于将传输协议 Offloading 到底层和中心,保持服务器计算密度最大化。这个视角看,端到端原则岂不是罪过?

抛开场景不能谈原则。

我假设上面已经描述清楚。接下来重新审视 DC 传输。

所谓 DC 传输,将一笔数据传到不远处的对端,这笔数据分割,打包,发送,这是显而易见的做法,没有任何理由需要事先建立一个连接,让这笔数据以流的方式按序流入对端内存,说实话,TCP 才是奇怪的方式。

回到 1970年代,以那时主机的内存水平,网络带宽,基于虚电路的流式传输是一个创新之举,但现在不是,无论对 DC 而言,or Internet。

周三经理推荐了个有趣的分享和论文,我看了后表示赞成,不过重新翻译分析一遍论文没意义,本身就是很容易理解的技术点,就看你能不能想到。那就写篇读后感吧,写一点文中没有表述的东西。

浙江温州皮鞋湿,下雨进水不会胖。

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加:2022-11-05 00:55:47  更:2022-11-05 00:56:31 
 
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