疫情期間，騰訊會議作為一款非常便捷的遠程協作工具，成為國內眾多企業日常會議溝通交流的主要平臺。殊不知，這款產品從2019年12月26日才正式推出。如何在這麼短的時間內，有效撐起國內數以億計的用戶訪問量，保證系統的穩定運行？本文來自騰訊雲的技術人員，為你解析
8天時間內完成100萬核資源的擴容背後的技術，希望對大家有所借鑑。如果需要交付100萬核的計算資源，需要做什麼？準備資源，然後按用戶需求進行交付。如果在前面加一個定語“快速”呢？可以加班加點完成。但是如果要實現8天內完成100萬核的資源交付，換算下來，每天需要交付12.5萬核，這就有點苛刻。在雲計算的歷史上，從未出現過類似的案例。
那麼，騰訊會議是如何做到的呢？
解決思路
首先，分析如此短的時間內，交付這些資源需要做哪些事情，會遇到哪些問題。
實際上，藉助於當前成熟的虛擬化技術，可以基於已經制作好的鏡像系統文件，快速地部署一套用於提供服務的生產環境，所以，只需要準備好足夠的計算資源就能夠實現服務的無限擴容，而這個過程大概需要以下四步。
1.準備資源，投放物理機：作為雲計算服務提供商，首先資源是第一位的，所以第一步要準備用於提供服務的物理機。這100萬核心的資源，相當於約12000臺物理機。以防資源不足的問題，需要快速將這些物理機全部上架，同時，保證每臺物理機經過驗證，並且部署了正確版本的後臺組件。2.資源註冊與分配：有了物理機資源，下一步就需要把初始化好的物理機資源投放到現網環境中，確保每一臺物理機資源都在CVM後臺服務中註冊。騰訊雲操作系統VStation需要維護數十萬級的物理機資源，這無疑對資源調度能力提出了極大的挑戰。這一步需要快速將所有計算資源找到對應的物理機承載。3.資源創建與交付：當後臺調度系統選擇好承載計算能力的物理機之後，下一步是到物理機上創建虛擬機資源。這一步看似簡單但需要做的事情卻不少，如生成用戶控制數據，與存儲、網絡系統交互，生成對應的虛擬機配置，啟動虛擬機。4.虛擬機初始化：虛擬機成功創建之後，就已經可以交付使用了。不過可能還需要進行配置，如拉取配置、加入服務集群、啟動服務等。完整歷程解密
圖1是騰訊雲操作系統VStation架構圖，騰訊雲操作系統VStation，承擔資源調度、請求排隊的任務，已經對大批量、高併發的創建請求進行了充分優化。具體來說：
- API 部分接入用戶請求，管理用戶角色、CVM 機型、用戶配額等；
- 雲操作系統VStation，承擔資源調度、請求排隊，目前虛擬機每分鐘吞吐可達到5000臺；
- Host組件上安裝用於生產和配置CVM實例的各種輔助組件。
圖1：VStation雲操作系統
下面從資源準備、註冊與分配、創建與交付、虛擬機初始化四大部分詳細介紹下其中的具體過程。
1.準備資源，投放物理機
騰訊雲基於定製化騰訊TLinux、自研的虛擬化hypervisor系統，可以實現批量自動部署、自動投放，並且在投放到現網之前進行自動驗證，保證軟硬件不存在隱患。騰訊雲Host組件管控系統，方便管理騰訊雲hypervisor上的各種代理組件，易於發佈，方便運維。
圖2：Host初始化過程
- 安裝系統：運維平臺從資產管理平臺CMDB拉取對應Host相關機型信息，尋找與該機型對應的TLinux操作系統控制BMC配置從pxe啟動，從pxe服務器拉取系統鏡像安裝系統。
- 系統初始化：安裝完系統後需要配置各種系統參數，調優。
- 部署Host使用的組件：每種不同機型的CVM使用的Host 會使用不同的後臺Agent，以及相關配置。通過Host組件管控系統Host使用的插件進行統一管理，下發。
- 導入集群：已經初始化好的Host，需要導入到VStation 集群才能售賣和生產CVM。
圖3：Host組件管控系統
Host組件管控系統用於下發Host組件、灰度版本、控制、支持併發下載、灰度發佈，同時上報Host上各個組件的信息、組件健康管理、自動拉起組件、異常告警等。
2.資源註冊與分配
作為整個系統的核心，騰訊雲操作系統VStation需要管理10萬級的物理機資源，近千萬級的核數，所以需要實現快速和穩定的調度系統。VStation服務類似Google Borg/Omega 使用的分佈式調度架構，對計算資源進行調度。
圖4：VStation 調度系統
其中，水平擴展調度器支持橫向擴容，每個調度器擁有幾乎全部的集群信息，方便掌握全局資源；採取增量同步、定時更新、局部緩存的方式，儘可能多地掌握全局視圖，並且維持集群狀態信息的準確性。
調度決策方面，將可能過濾掉更多物理機的基礎條件放在調度器的靠前位置，過濾掉無法滿足基本條件的物理機列表，減少調度過程中物理機集合在不同調度器之間的傳遞；同時，根據多個維度，如物理機資源使用率、剩餘資源等，對滿足裝箱條件的物理機進行排序，儘可能優先使用優質Host資源，合理調配。此外，避免多個調度器在併發時選中相近的物理機，對經過排序後的物理機進行隨機調整，減少大併發時造成的衝突。
3.資源創建與交付
解決資源調度問題後，需要在選中的物理機上創建虛擬機資源，其中有一些耗時的硬性階段無法解決，VStation對此結合資源創建過程的的特點，做出了令人滿意的優化，把單臺虛擬機創建時間基本控制在3-5秒。
前面提到，資源創建需要與諸如用戶控制數據、網絡服務、存儲服務、鏡像服務、密鑰、安全組服務等進行交互，完成用戶與所創建的虛擬機資源之間的映射。VStation平臺設計之初就考慮到高併發，批量創建的場景，對周邊系統的交互實現了並行化通信。同時，為支持高併發，提高服務的吞吐量，每種與其他服務交互的工作進程通過高可用消息隊列通信，都是無狀態和可擴容的。真正實現了高可用、高併發、自動容災。圖5是VStation 內部系統的核心架構。
圖5：VStation 後臺架構
VStation 通過高可用的消息隊列，控制數據與周邊系統交互的工作進程間通信，同時對創建過程中的關鍵任務按照依賴關係實現並行化，最大限度的壓縮創建總耗時。針對高併發請求，為減少對系統自身的影響，系統具備以下特性：
1、控制信息載荷自動壓縮
控制消息攜帶了CVM實例的各種控制信息：計算、存儲、網絡以及各種元數據信息。隨著系統功能增加，控制層面數據也有所增長，控制信息載荷增大。使用壓縮算法在投遞消息前進行壓縮並在接受消息後解壓縮，能夠大大降低消息佔用消息總線，提高消息吞吐率。目前VStation 使用開源LZ4 - Extremely fast compression壓縮和解壓縮算法，壓縮速率可達到780 MB/s，解壓縮速率在4970 MB/s，壓縮率在2倍左右。
2、負載平衡
分佈式系統中會使用多個實例以增加系統請求響應吞吐率，控制模塊負載平衡可以保證請求均勻地被各個worker處理。負載平衡需要後臺處理請求的worker均勻分配到不同處理實例上，降低等待隊伍長度，併發執行任務。同時需要將虛擬機實例儘量均勻地分配在不同Host。將併發請求儘可能均勻地分在不同物理機，有利於加快辦法創建速度。生產虛擬機較為耗時的任務有創建虛擬機磁盤、下載虛擬機鏡像、申請網卡、配置網絡等。如果多臺虛擬機串行地在同一臺物理機上創建，必然是系統瓶頸，創建耗時延長。VStation Scheduler 在裝箱時，每個Scheduler實例有近乎全局的資源視圖，對同一批次的創建任務，可以在虛擬機併發裝箱時保證虛擬機儘量不落在同一臺物理機。
3、流控系統
當請求數超過系統承載能力時，如果不加控制，會對周邊系統造成危害，導致系統過載，內部組件異常（如DB慢查詢、不響應、消息隊列丟消息），破壞性較大，嚴重時會造成服務不響應，甚至用戶數據不一致。VStation增加排隊機制，降級服務，而不是返回系統內部錯誤，以提升用戶體驗。流控系統由以下幾個方面組成：
- 關鍵請求頻次控制：在API請求頻次上對用戶做限制，防止惡意用戶頻發請求系統，如惡意購買，刷單等。
- 用戶配額限制：限制用戶隨意申請資源，尤其是按量資源，限制配額。
- 後臺請求排隊與流速控制：任何系統都有能承載的處理容量，當VStation正在處理的請求超過一定閾值時，對新加入的請求不做拒絕處理，而是放入等待隊列中待正在處理的任務完成後繼續執行。
圖6：VStation 流控系統
4、任務編排優化
一個完整的創建任務涉及到的各種子任務較多，單純串行執行雖然邏輯清楚且維護簡單，但不利於充分發揮系統能力，高併發創建場景中耗時較長。通過分析虛擬機實例創建過程中的各種依賴關係，將不耦合的任務並行執行，把簡單的單項圖轉換成有向無環圖（DAG），進一步提升任務的並行度。
圖7：創建流程任務優化
調整後，單臺CVM實例創建任務可以控制在5秒以內。
4.虛擬機初始化
提到雲主機的初始化，CVM 支持使用雲原生的cloud-init服務，支持雲計算主機鏡像初始化協議，用戶通過傳入自定義的腳本程序，實現雲主機創建後自動執行預定義配置。同時，騰訊雲提供實例metadata 服務。用戶在自定義腳本程序中可以訪問實例metadata服務獲取與實例有關的信息，如IP地址、實例名稱等，來實現每個實例的特殊化配置。
圖8：CVM元數據
CVM 實例相關元數據信息包括鏡像、用戶數據、vendor數據、元數據幾部分組成。其中鏡像信息和用戶數據信息可以讓用戶自行配置，vendor數據和實例元數據（如IP信息、地域信息等）可以通過內網訪問騰訊雲元數據服務獲取，從而實現快速自動化配置CVM實例。
總結
8天內完成為騰訊會議擴容100萬核的任務，在此一役，騰訊雲CVM後臺服務有效地支持了高併發請求，通過優化調度算法、優化內部架構、降低創建耗時，完美經受住了此次考驗。未來，將更有信心迎接其它更艱鉅的挑戰。
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