VPC网络架构下的网络上数据采集

介绍

        想象这样一个场景，一开始在公司里，所有的部门的物理机、POD都在一个经典网络内，它们可以通过 IP 访问彼此，没有任何限制。因此有很多系统基于此设计了很多点对点 IP 直连的访问，比如中心控制服务器 S 会主动访问物理机上的 Agent 从而拉取信息或下发配置，假设调用频率很高，数据量很大。

        现在由于各种原因，各个部门之间的网络不再被允许互通，而是出现了隔离：

1. 每个部门有自己专用的物理机，每个部门的POD只能部署到本部门的物理机
2. POD 与物理机的网络是隔离的
3. 同一个部门的物理机是网络互通的，不同部门的物理机是网络隔离的
4. 同一个部门的POD是网络互通的，不同部门的POD的网络是隔离的
5. 允许给为应用申请 VIP，而该 VIP 可以被所有 VPC 访问

        相当于对于每个部门来说，物理机处于一个单独的 VPC 内，POD 处于另外一个单独的 VPC 内，默认情况下 VPC 与 VPC 之间是网络隔离的。

        这里我们先假设所有部门的物理机和 POD 的 IP 依旧不会重复，从而先简化问题的讨论。

        上述只是我创造的一个虚拟场景，实际并不是这样的，但也不影响问题讨论。

        由于网络隔离的出现它会导致：

1. 部署在每台物理机上的Agent（Daemonset形式）无法访问我们的中心控制服务器S
2. 中心控制服务器S无法主动访问每台物理机上的 Agent 拉取信息或下发配置

        我们的系统严格依赖上述2点，因此网络隔离的出现导致我们的系统连基本功能都用不了。我们并不想为每个部门单独部署一套我们的系统（运维成本高），而是想使用一套系统服务所有部门。

解法

        面对该问题考虑了如下解法：

1. 改造系统架构，变成 “拉取配置”， "推送信息"
2. 基于反向代理的网络访问
3. 每个部门单独部署一套我们的系统

        解法1需要将点对点访问变成边缘 Agent 对中心控制服务器 S 的访问，一般来说 Agent 访问哪台 S 都是可以的，因此可以给 S 挂一个 VIP，让 Agent 去访问该 VIP 即可。

        但这涉及整个系统架构大改，暂时不考虑。

基于反向代理的网络访问

        解法2的来源是想到如果每台 Agent、中心控制服务器 S 能找一个第三方组成一个 VPN 网络，那么每个成员都会有一个新的虚拟 IP，使用该新的虚拟 IP 就可以实现原来的点对点IP直连访问。而我们要做的是在访问时，查询一下原始IP对应的新的虚拟IP，然后访问该 IP 即可。

        但是组 VPN 了解不够，并且只有一台VPN服务器也是不够的，应该是需要VPN集群，这对我来说就更难了。

        后来经过一些调研，发现有一个技术叫做“反向代理”，相关的软件参考了 frp https://github.com/fatedier/frp

反向代理介绍

        假设有如下4个角色:

        A: 处于 VPC 1 内

        R: 处于 VPC 1 内 （R 也可以就是 A 自身）

        S: S代表一组服务器，处于 VPC 2 内; 并且它配置了一个 VIP, VIP 可以被 VPC 1 里的成员访问

        B: 处于 VPC 2 内 （B 也可以就是 S 自身）

        此时 VPC 1 与 VPC 2 网络不通，仅 VPC 1 的成员可以通过 S 的 VIP 访问到 S。

        A 向 S 的 VIP 发起反向代理请求 (R IP, R port)，S 的某个成员 S' 收到了反向代理请求 (R IP, R port)，S' 为反向代理请求分配一个随机端口 S' port (也可以是固定端口，不过在我们这个场景下随机更好)。

        此后，B 就可以通过 (S' IP, S' port) 访问到 (R IP, R port)。

        

        因此，如果你有一个公网IP，那么你就可以把你某个内网的端口通过该公网IP做反向代理暴露出去。经常折腾软路由的人应该对此了解较深。

引入反向代理

        假设我们在中心引入一个 proxy server (简称PS)的角色，让每台 Agent、中心控制服务器 S 通过 VIP 找到任意一台中心 PS 服务器建立反向连接，建立反向连接后可以得到一条反向链路：(某PS的IP,某PS的端口,某Agent的IP,某Agent的端口)，以下简称反向连接4元组.

        当我们要访问(某Agent的IP,某Agent的端口)时, 换成去访问(某PS的IP,某PS的端口)就可以了。

        当每台 PS 服务器建立反向连接时，它会将该反向连接4元组记录在某个地方供后续查询。当然销毁反向连接时也要记得删除4元组。

使用代理服务器屏蔽反向连接的细节

        考虑到还有其他应用也会访问物理机上的Agent，我们可以将该4元组的查询做成服务或者SDK供其他应用使用。但是这种方式对这些应用有一定侵入性，他们不一定愿意接入。

        我们还可以使用 socks5 代理技术来简化其他应用访问物理机上的Agent的流程。

        我们实现一个 socks5 server 的角色，对外提供一个 VIP:port 供其他应用连接，其他应用要做的仅仅只是在它们发网络请求的地方配置 socks5 代理（socks5 代理的支持很普遍的）。这个 socks5 server 的实现就是根据目标 IP 去查 4 元组，然后将请求转发到对应的 (PS IP,PS port) 上。

        如果你的Agent提供的是 HTTP 服务，那么你可以提供 HTTP 代理服务器而非 socks5，那应该会更简单一些。

性能问题

• 每个反向连接会消耗一台 PS 的一个 port, 因此每台 PS 最多贡献6万个 反向连接, 保守点估算成5万. (我们假设 VIP 会尽量使得连接均匀分配到后端)
• 所有的网络流量需要经过 VIP, 它本身有带宽限制, 比如 10Gb/s; 关于这一点我们可以想办法可以PS server 挂多个 VIP, 然后再申请一个域名, 将A记录设置为这多个VIP, 应该就可以起到一个负载均衡的效果
• 如果你实现了 socks5 或 http 代理服务器, 那么它的 VIP 也是性能瓶颈
• 当 PS 故障时，一些反向连接会在短时间内不可用; 我们可以要求每个 Agent 往 PS 建立 2 个连接(并且要想办法尽可能保证2个连接落在不同的PS实例上), 每个反向连接信息里可以维护一个心跳时间, 如果一个挂了, 那么流量都走另外一个.
• 反向建连4元组脏了, 在一个非常繁忙的系统中 (S' IP, S' port) 可能被复用, 如果此时4元组数据脏了, 可能你想连到 (C IP, C port) 但实际却是连到 (D IP, D port); 关于这一点可以让每个 PS 手动维护 S' port 的分配, 在分配之前检查是否有脏数据残留; 或者可以在业务层的协议加入一个目标IP, 当Agent 收到请求时检查一下是否确实是发给自己的请求, 如果不是则报错(对业务有侵入性).

安全问题

        一般来说，公司之所以要引入 VPC 网络架构，就是为了隔离各部门的网络，属于有意为之。而我们的这种做法无疑是打破了这种隔离。但好在我们打破的范围仅仅局限在我们系统的业务 POD 之间，并不涉及其他业务 POD（虽然说我们确实有这个能力）。所以我的这种做法目前是可以被接受的。