從雙十一的物流大戰(zhàn) 看全球通信網(wǎng)絡(luò)的低延遲

　　雙十一剛剛過去，你的快遞都收到了嗎?好像曾經(jīng)因流量激增，導(dǎo)致各地中轉(zhuǎn)及收件點(diǎn)爆倉，快遞遲遲不到，延遲甚至長達(dá)半個(gè)月的新聞幾乎絕跡。當(dāng)運(yùn)輸速度恒定，中轉(zhuǎn)站點(diǎn)的多寡、分揀能力的強(qiáng)弱、是否丟包重發(fā)，決定了你的快遞能否如期到達(dá)。

　　那么，如果 IM 消息是物，音視頻內(nèi)容是物，那么全球通信網(wǎng)就是負(fù)責(zé)傳輸?shù)奈锪飨到y(tǒng)。在物理距離恒定的前提下，對于路由跳數(shù)、網(wǎng)絡(luò)帶寬、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和緩存隊(duì)列的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，決定了系統(tǒng)能否做到高質(zhì)量、低延遲的傳輸。

　　這是融云首席架構(gòu)師李淼在 WICC 廣州“出海分論壇”中分享的話題引子。也因此，李淼關(guān)于《全球低延遲通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化》的話題分享變得更加具象。

　　RTC 與 IM 全球網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)有所同，有所不同

　　融云全球通信網(wǎng)絡(luò)分為 RTC 全球網(wǎng)絡(luò)和 IM 全球通信絡(luò)兩個(gè)部分，這是由于 RTC 和 IM 在傳輸中不同的加速特點(diǎn)所決定。

　　(RTC 網(wǎng)絡(luò)與 IM 網(wǎng)絡(luò))

　　相同點(diǎn)在于：二者可在數(shù)據(jù)中心、節(jié)點(diǎn)等多項(xiàng)物理設(shè)施上進(jìn)行復(fù)用，并且都必須保證高質(zhì)量、低延遲的傳輸，從而為用戶帶來極佳的場景體驗(yàn)。

　　不同點(diǎn)在于：RTC 基于 UTP 協(xié)議運(yùn)行，對于用戶體驗(yàn)而言，允許有一定的丟包率，但對于延時(shí)要求苛刻;而 IM 基于 TCP 協(xié)議進(jìn)行業(yè)務(wù)承載，在要求消息不能丟失的同時(shí)，需要消息的集中存儲，不僅能為用戶不在線時(shí)存儲離線消息，還要根據(jù)業(yè)務(wù)類型，進(jìn)行歷史消息的存儲。

　　因此，融云對于 RTC 的設(shè)計(jì)，是完全去中心化的分布式通信網(wǎng)絡(luò)。好處是在后續(xù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時(shí)，可以隨意增加媒體節(jié)點(diǎn)部署，而不影響用戶的任何使用體驗(yàn)。

　　融云 IM 的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)采用的是將數(shù)據(jù)流量導(dǎo)入到數(shù)據(jù)中心的方式，已陸續(xù)在國內(nèi)、北美和新加坡分別設(shè)立了數(shù)據(jù)中心，目前已迭代至基于 Anycast 的一體化加速網(wǎng)。特點(diǎn)在于多協(xié)議支持、多數(shù)據(jù)中心支持，并且，基于 SmartDNS & Anycast 的加速原理可以更高質(zhì)量地保證在全球范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)分配的準(zhǔn)確度。此外，IM 的許多全球鏈路優(yōu)化工作，都可以在 RTC 上復(fù)用。

　　了解完以上架構(gòu)，重點(diǎn)來了：融云是如何進(jìn)行延時(shí)優(yōu)化的呢?這需要分別從 RTC 和 IM 兩個(gè)方向進(jìn)行解析。

　　如何降低 RTC 的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)

　　(RTC 通信過程)

　　對于 RTC 而言，能降低延時(shí)最好的辦法，就是提高 RTC 節(jié)點(diǎn)的覆蓋率，目的在于縮短用戶與邊緣節(jié)點(diǎn)的物理距離，也就意味著以更少的跳數(shù)完成連接。

　　融云對于節(jié)點(diǎn)的選擇先是要保證大洲級的全覆蓋，再是對熱門區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)覆蓋。所選節(jié)點(diǎn)基于一線 IaaS 廠商的公有云服務(wù)搭建，每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間都可通過專線互聯(lián)。不但可以提升鏈路傳輸?shù)姆�(wěn)定性，還可以降低 RTC 節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)，甚至可以做到 0 跳或者 1 跳。

　　優(yōu)化的難點(diǎn)在于：如何讓用戶選擇到質(zhì)量最好的節(jié)點(diǎn)。通常最直觀的辦法是通過智能 DNS 解析，但融云經(jīng)過驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)確度率只在 80% 左右。為此，融云在之后增加了 IP Anycast，它跟 DNS 原理完全不同，可直接通過 IP 的方式來進(jìn)行分配，這個(gè)分配是運(yùn)營商級的。

　　在鏈路探測方面，物理距離最近的 IDC 未必就是質(zhì)量最好的節(jié)點(diǎn)，即便采用 smart DNS+IP Anycast，準(zhǔn)確度依然無法達(dá)到 100%。為此，融云增加了客戶端的探測能力，在用戶連接時(shí)下發(fā) N 個(gè)地址�？蛻舳烁鶕�(jù)下發(fā)地址進(jìn)行探測，擇優(yōu)選擇鏈路連接。據(jù)日志分析，準(zhǔn)確度達(dá) 99.5% 以上。

　　同云連接可以通過鏈路優(yōu)化來保證，那么跨云又該怎么辦呢?

　　融云的做法是通過二級級聯(lián)，將數(shù)據(jù)中心之間的流量通過所采購的 SD-WAN 進(jìn)行導(dǎo)入導(dǎo)出。這其中，級聯(lián)優(yōu)化至關(guān)重要。

　　比如，一個(gè)北美用戶跟一個(gè)國內(nèi)用戶通信，融云會先在北美與香港之間進(jìn)行專線互聯(lián)，然后香港再與國內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行專線互聯(lián)。這種通過香港節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的方案，能夠在保證質(zhì)量的前提下，達(dá)到低延時(shí)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化效果。

　　但難點(diǎn)在于：故障降級。傳輸過程中，同云的專線和 SD-WAN 都可能會出現(xiàn)故障。盡管故障的概率極低，但一旦故障發(fā)生，就必須有所取舍，為了保證用戶能夠正常接聽互通，只能選擇將整個(gè)通訊鏈路進(jìn)行降級。比如當(dāng)專線出問題時(shí)，會通過二級級聯(lián)的方式，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的跳轉(zhuǎn)，或者直接通過互聯(lián)網(wǎng)公網(wǎng)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

　　此外，要降延就要有完善的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。融云在客戶端建設(shè)了各種標(biāo)準(zhǔn)的 QoS 監(jiān)測系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上報(bào)和后臺分析。

　　如何降低 IM 的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)

　　IM 的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)優(yōu)化途徑主要集中于節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和證書計(jì)算前置兩個(gè)方面。

　　在節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)方面：由于 IM 數(shù)據(jù)基于 TCP 協(xié)議傳輸，但 TCP 的擁塞控制和丟包重傳策略并不友好，因此融云將部分 TCP 協(xié)議替換成 QUIC 協(xié)議，也就是說，從物理距離最遠(yuǎn)的邊緣節(jié)點(diǎn)到路由節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的傳輸，融云都通過 QUIC 進(jìn)行了優(yōu)化。

　　(IM 全球網(wǎng)絡(luò)的歷程)

　　通過 QUIC 優(yōu)化，首先可以避免在邊緣點(diǎn)跟路由節(jié)點(diǎn)之間，TCP 的三次握手，直接將 TLS RTT 降為 0;其次是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)時(shí)，QUIC 有更友好的丟包重傳策略，可以做到丟哪個(gè)包就補(bǔ)哪個(gè)包，而不會像 TCP 那樣，一旦丟包，后續(xù)所有的包都要進(jìn)行重傳。內(nèi)測表明，這一優(yōu)化，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)降低了 15% 左右。

　　在證書計(jì)算前置方面：融云采取將 TLS 證書和 SSL 的證書，在邊緣節(jié)點(diǎn)上直接進(jìn)行交換的方式。這樣一來，首先是減少了用戶數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)中心之間的整體的 RTT，可將 RTT 直接降到 0。其次，IM 多有小包通訊的場景，例如一個(gè)信令包只有 10-20 個(gè)字節(jié)，通過在邊緣點(diǎn)上將數(shù)據(jù)包進(jìn)行解密，明文傳遞到融云的路由節(jié)點(diǎn)，再進(jìn)行加密傳到數(shù)據(jù)中心，大大降低了兩個(gè)最遠(yuǎn)物理距端點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸量。

　　需要說明的是，用戶完全無需擔(dān)心數(shù)據(jù)的安全問題。因?yàn)槿谠频倪吘壒?jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)全部由融云控制，均為受信網(wǎng)絡(luò)。但如果是必須要在公網(wǎng)完成數(shù)據(jù)傳輸，融云仍然會通過傳統(tǒng) TLS 方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈路加密。

　　當(dāng)然，融云對 IM 的優(yōu)化策略遠(yuǎn)不止于此，更多表現(xiàn)在客戶端及服務(wù)端日志的收集、zero copy、多路復(fù)用、IP 直連和 QoS 保證等多個(gè)方面。

　　比如對日志的收集，融云每發(fā)一個(gè) SDK 版本，都會增加新的日志埋點(diǎn)，用于分析業(yè)務(wù)、分析網(wǎng)絡(luò)等，以此進(jìn)行一些定向或定點(diǎn)區(qū)域的優(yōu)化。

　　在談及未來計(jì)劃時(shí)，李淼指出，融云將不計(jì)成本，不遺余力地繼續(xù)加大網(wǎng)絡(luò)建設(shè)力度，為開發(fā)者提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。就研發(fā)而言，將持續(xù)提升軟件本身的處理能力，不斷豐富數(shù)據(jù)收集的手段，同時(shí)提升數(shù)據(jù)預(yù)估的準(zhǔn)確性。