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B站邊緣網(wǎng)絡(luò)四層負(fù)載均衡器的探索與應(yīng)用

來(lái)源: 責(zé)編: 時(shí)間:2023-12-09 15:23:22 288觀看
導(dǎo)讀01 背景介紹B站的 CDN 下行邊緣節(jié)點(diǎn)過去是非集群化架構(gòu)。這種架構(gòu)下有幾個(gè)弊端:增加調(diào)度邏輯復(fù)雜性;同機(jī)房流量/負(fù)載難以均衡;暴露過多的公網(wǎng)IP,增加安全隱患 (盜鏈等);灰度流量比例分配粒度大;針對(duì)以上問題,我們調(diào)研了常見

01 背景介紹

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B站的 CDN 下行邊緣節(jié)點(diǎn)過去是非集群化架構(gòu)。這種架構(gòu)下有幾個(gè)弊端:LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

  1. 增加調(diào)度邏輯復(fù)雜性;
  2. 同機(jī)房流量/負(fù)載難以均衡;
  3. 暴露過多的公網(wǎng)IP,增加安全隱患 (盜鏈等);
  4. 灰度流量比例分配粒度大;

針對(duì)以上問題,我們調(diào)研了常見的四層負(fù)載均衡器, 傳統(tǒng)的 SLB,LVS,DPVS 這類四層負(fù)載均衡器,在功能上也能滿足我們現(xiàn)有的需求。但是以上幾個(gè)負(fù)載均衡器均需要獨(dú)占機(jī)器,進(jìn)而造成成本升高,資源浪費(fèi)。LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

有沒有一種既不增加成本,又能解決邊緣節(jié)點(diǎn)四層負(fù)載需求的方案呢?由 Cloudflare 提出的基于 Express Data Path (XDP) 的高性能四層負(fù)載均衡器 Unimog[1]性能優(yōu)異,并且可以和后端服務(wù)同機(jī)部署,在性能上也完全滿足我們邊緣場(chǎng)景的要求。所以我們參考 Cloudflare Unimog 的思想,在其基礎(chǔ)上自研了適用于B站的邊緣四層負(fù)載均衡器 Nickel (以下簡(jiǎn)稱 Ni) 。LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

  • 與業(yè)務(wù)服務(wù)同機(jī)部署,更劃算;
  • 只保留業(yè)務(wù)需要功能,更輕量;
  • 可針對(duì)業(yè)務(wù)特點(diǎn)優(yōu)化,更靈活;

目前已部署在自建動(dòng)態(tài)加速,及自建點(diǎn)直播 CDN 集群化生產(chǎn)環(huán)境中。其支持與后端服務(wù)同機(jī)部署,底層使用 XDP、Traffic Control (TC) 進(jìn)行包粒度轉(zhuǎn)發(fā),支持 Direct Server Return (DSR) 模式,支持根據(jù) CPU/QPS (或其他業(yè)務(wù)維度) 動(dòng)態(tài)調(diào)整流量分配。LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

下面左圖為傳統(tǒng) DSR 模式,右圖為自研負(fù)載均衡器 Ni 的 DSR 模式,不需獨(dú)占資源,支持與服務(wù)同機(jī)部署,更符合邊緣場(chǎng)景。LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

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02 架構(gòu)設(shè)計(jì)

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2.1 總體設(shè)計(jì)

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四層負(fù)載均衡器 Ni 由兩部分組成,控制面和數(shù)據(jù)面。控制面主要負(fù)責(zé)服務(wù)發(fā)現(xiàn)、配置管理、數(shù)據(jù)上報(bào),及LB規(guī)則的動(dòng)態(tài)維護(hù)等。數(shù)據(jù)面主要由 LoadBalance (XDP) , Redirect (TC Traffic Control) 等模塊組成,主要用來(lái)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。控制面和數(shù)據(jù)面根據(jù)預(yù)定義的接口傳輸數(shù)據(jù)。LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

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開始介紹之前先明確幾個(gè)下文中用的到名詞及其意義:LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

  • VIP (virtual IP) :用于統(tǒng)一接受用戶請(qǐng)求,代表當(dāng)前集群流量入口,下文中VIP指LB所在機(jī)器的IP(目前邊緣沒有支持真正虛擬IP的建設(shè))。
  • DIP (direct IP) :業(yè)務(wù)服務(wù)所在機(jī)器的 IP。

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2.2 控制面

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控制面基于開源框架 kglb[2] 結(jié)合邊緣網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)做的改造和開發(fā),其核心為生成和維護(hù)供數(shù)據(jù)面使用的轉(zhuǎn)發(fā)表。為了保證轉(zhuǎn)發(fā)表的數(shù)據(jù)的正確性、實(shí)時(shí)性、高效性,控制面使用以下幾個(gè)功能和模塊更新信息:LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

  • 服務(wù)發(fā)現(xiàn)、管理

Ni 控制面需要維護(hù)同集群邊緣節(jié)點(diǎn)的所有服務(wù)器信息 (VIP,DIP,Hostname,運(yùn)營(yíng)商,權(quán)重等),以及需要感知當(dāng)前邊緣機(jī)房?jī)?nèi)機(jī)器或者服務(wù)的狀態(tài)變化,如標(biāo)記為下線的機(jī)器不再接受新的連接請(qǐng)求,但是需要維護(hù)當(dāng)前已經(jīng)建立的連接直至其主動(dòng)斷開;LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

  • 健康檢查

處于異常狀態(tài)的服務(wù)在確認(rèn)其不可用后應(yīng)該盡快從轉(zhuǎn)發(fā)表中刪除,避免影響范圍擴(kuò)大。因此機(jī)房?jī)?nèi)需要有服務(wù)器級(jí)別的健康狀態(tài)檢查。目前 Ni 提供多種協(xié)議類型的健康檢查方式,如 Http、Tcp 等。以下為 Http 健康檢查的相關(guān)配置字段:LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

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{    "checker": {        "http": {            "scheme": "http",            "uri": "/",            "check_port": 9080,            "codes": [                200            ]        }    },    "fall_count": 2,    "interval_ms": 2000,    "rise_count": 2}

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  • 支持基于機(jī)器使用率/QPS等做負(fù)載均衡

Ni定期收集機(jī)房?jī)?nèi)各服務(wù)器的資源使用情況,以便于根據(jù)資源使用率做動(dòng)態(tài)調(diào)整。使用收集的信息計(jì)算機(jī)房?jī)?nèi)機(jī)器負(fù)載,讓負(fù)載偏低的服務(wù)分配更多的連接,偏高則反之,從而保證一個(gè)邊緣機(jī)房?jī)?nèi)所有服務(wù)器的負(fù)載收斂。QPS類似。LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

  • 基于轉(zhuǎn)發(fā)表Beamer[3]的負(fù)載均衡

第一步首先需要一個(gè)穩(wěn)定高效的 Hash 計(jì)算方法,輸入四元組 (源 IP、源 port、目的 IP、目的 port) 后得到對(duì)應(yīng)的 Hash 索引值,第二步使用索引值轉(zhuǎn)換為 DIP。LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

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支持按照配置的 DIP 權(quán)重做負(fù)載均衡,也可以動(dòng)態(tài)根據(jù) DIP 所在機(jī)器的CPU進(jìn)行實(shí)時(shí)的權(quán)重調(diào)整,也就是調(diào)整 Hash 值在整個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)表中的比例。LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

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如圖所示,比例變化后 Hash 值對(duì)應(yīng)的DIP也會(huì)改變。原本應(yīng)該發(fā)往 DIP A 的數(shù)據(jù)包,發(fā)給了 DIP B。如果這和數(shù)據(jù)包是發(fā)起建連的 (TCP SYN) ,則B服務(wù)器與該數(shù)據(jù)包的 Client 端三次握手建立新連接。但如果數(shù)據(jù)包屬于之前與 A 服務(wù)器建立連接的 Client,因?yàn)?B 服務(wù)器沒有對(duì)應(yīng)的 TCP socket,會(huì)向 Client 發(fā)送 RST 斷開連接。LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

要解決這個(gè)問題,需要 B 服務(wù)器收到的數(shù)據(jù)包不屬于自己的 socket 后,將這類數(shù)據(jù)包二次轉(zhuǎn)發(fā)給A服務(wù)器。也就是說(shuō) B 服務(wù)器需要知道二次轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包應(yīng)該發(fā)給誰(shuí),如果把這個(gè)信息存下來(lái),A 服務(wù)器與 Client 的連接就可以繼續(xù)保持。LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),我們擴(kuò)展了轉(zhuǎn)發(fā)表。使用四元組 Hash 之后的值,對(duì)應(yīng)兩個(gè) DIP,動(dòng)態(tài)更新后的稱為第一跳,動(dòng)態(tài)更新前的稱為第二跳。LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

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如果第一跳和第二跳的DIP是一樣的,即使在判斷后發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包不屬于第一跳服務(wù)器,也不需要做第二跳的判斷和轉(zhuǎn)發(fā),因此實(shí)際我們只需要保留發(fā)生變化的部分。LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

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關(guān)于二次轉(zhuǎn)發(fā)的邏輯,主要分為以下三個(gè)部分:LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

  1. 如果數(shù)據(jù)包是 SYN,則在第一跳服務(wù)器上新建一個(gè)連接,保證新連接的數(shù)據(jù)包都在第一跳服務(wù)器上處理。
  2. 非SYN的數(shù)據(jù)包,需要檢查第一跳服務(wù)器上是否存在相應(yīng)的 socket。如果存在,則交由第一跳服務(wù)器處理。
  3. 第一跳不存在對(duì)應(yīng)的 socket,則將該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給第二跳服務(wù)器。如果發(fā)現(xiàn)第二跳為空則將該數(shù)據(jù)包丟棄。

如果出現(xiàn)需要轉(zhuǎn)發(fā)到第二跳的情況,因?yàn)槎噢D(zhuǎn)發(fā)了一次數(shù)據(jù)包,所以在一定程度上會(huì)造成帶寬的增大。但是隨著新連接的建立,老連接的斷開,需要二次轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包比例會(huì)很快降低。LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

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同時(shí)從理論上來(lái)說(shuō),只要某個(gè) Client 的連接時(shí)間足夠長(zhǎng),經(jīng)過多次轉(zhuǎn)發(fā)表動(dòng)態(tài)調(diào)整,比如第一跳和第二跳都不是A服務(wù)器,那么這個(gè) Client 會(huì)因?yàn)槭盏?RST 而斷開。基于當(dāng)前的調(diào)整策略,這種情況是不可避免的。對(duì)此我們?cè)谡{(diào)整頻率和調(diào)整策略上都做了以下優(yōu)化:LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

  1. 控制最快調(diào)整時(shí)間間隔;
  2. 優(yōu)先選擇通過第一跳和第二跳對(duì)換即可實(shí)現(xiàn)調(diào)整目標(biāo)的桶;
  3. 優(yōu)先選擇最近調(diào)整次數(shù)最少的桶;
  4. 避免表項(xiàng)大規(guī)模調(diào)整,小步迭代;
  5. 盡可能保證表項(xiàng)連續(xù)性,減少碎片等;

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2.3 數(shù)據(jù)面

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控制面維護(hù)的轉(zhuǎn)發(fā)表是來(lái)指導(dǎo)底層做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的,我們的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊使用 XDP 來(lái)實(shí)現(xiàn),XDP之前在 QUIC 使用其做性能收發(fā)包優(yōu)化[4]時(shí)也有介紹,它是 Linux 內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)棧的最底層集成的數(shù)據(jù)包處理器。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)包到達(dá)內(nèi)核時(shí),XDP 程序會(huì)在早期被執(zhí)行 ,跳過了內(nèi)核協(xié)議棧,提高了包處理的效率,XDP 共有3種模式:LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

  1. Offload:XDP 的 eBPF 程序直接 hook 到可編程網(wǎng)卡硬件設(shè)備上,而不是在主機(jī) CPU 上執(zhí)行。因?yàn)樵撃J綄?zhí)行從 CPU 上移出,并且處于數(shù)據(jù)鏈路的最前端,過濾效率與性能最高。
  2. Native:XDP的 eBPF 程序在網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的早期接收路徑之外直接運(yùn)行。
  3. Generic:可以在沒有硬件或驅(qū)動(dòng)程序支持的主機(jī)上執(zhí)行上執(zhí)行 XDP 的 eBPF 程序。缺點(diǎn):仿真執(zhí)行,需要分配額外的套接字緩沖區(qū),導(dǎo)致性能下降。

Offload 模式雖性能最優(yōu)但需要特定硬件的支持,Native 模式為最常用的模式,掛載在驅(qū)動(dòng)路徑上,需要驅(qū)動(dòng)的支持,Generic 模式是內(nèi)核模擬出的一種模式,不依賴于網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng),不過掛載點(diǎn)靠后,性能在三種模式種最差。綜合邊緣節(jié)點(diǎn)機(jī)器網(wǎng)卡、系統(tǒng)等因素,我們?cè)谏a(chǎn)環(huán)境選用Native 模式。LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

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控制面維護(hù)的轉(zhuǎn)發(fā)表,傳遞到XDP模塊時(shí),其本身是一個(gè)類型為 map in map 的 eBPF map。外側(cè)的 map key 為用戶訪問的服務(wù)二元組,即服務(wù)的 IP 和 Port,外側(cè)的 map value 對(duì)應(yīng)內(nèi)側(cè)的 eBPF map對(duì)象;內(nèi)側(cè)的 map key 為桶的編號(hào),即 Hash 的索引值,value 為一個(gè) simple C struct, 內(nèi)部存儲(chǔ)了第一跳和第二跳的IP地址。數(shù)據(jù)面在進(jìn)行相應(yīng)的 hash value calculation 之后,找到一對(duì) Hop IPs,將用戶的原始數(shù)據(jù)包封入由該 Hop IPs 組成的 GUE header 中。LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

GUE header[5] 為 Github LB 使用的一個(gè)私有頭格式,詳細(xì)見下圖。在封包完成后,XDP 將該數(shù)據(jù)包傳輸給對(duì)應(yīng)機(jī)器,在該機(jī)器上,由 TC 通過四元組判斷該連接是否已存在;如果存在,則將該數(shù)據(jù)包解封并傳輸給上層;如果不存在,則根據(jù) GUE header 轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳。LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

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在 TC 解封完成后,如果此邊緣集群支持 VIP,并且服務(wù)監(jiān)聽了該 VIP,其已經(jīng)可以正常通過 Linux 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的 Socket 拿到數(shù)據(jù)包,由于目前我司邊緣集群尚不支持 VIP,除非通過 ip_transparent 等特殊手段,否則后端服務(wù)器上的服務(wù)無(wú)法監(jiān)聽作為 LB 的機(jī)器的 IP。為了使后端服務(wù)無(wú)感,我們選擇使用過渡手段的 netfilter conntrack 對(duì) ingress 數(shù)據(jù)包進(jìn)行 SNAT (Source Network Address Translation) ,并對(duì) egress 數(shù)據(jù)包進(jìn)行 DNAT (Destination NAT) 。由于 conntrack 本身的性能瓶頸,會(huì)限制 Ni 作為 LB 的能力。不過在當(dāng)前線上的業(yè)務(wù)場(chǎng)景下,并不會(huì)達(dá)到 conntrack 的性能瓶頸,邊緣節(jié)點(diǎn)支持 VIP 也在和相關(guān)部門推進(jìn)中,未來(lái)支持后,去掉 NAT 轉(zhuǎn)換 Ni 的性能會(huì)進(jìn)一步提高。LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

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03 應(yīng)用場(chǎng)景

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 3.1 動(dòng)態(tài)加速的應(yīng)用

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動(dòng)態(tài)加速是在傳統(tǒng) CDN 基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的對(duì)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)加速進(jìn)一步優(yōu)化的智能管理服務(wù),通過全方位的 CDN 質(zhì)量監(jiān)控,以及智能易用的節(jié)點(diǎn)調(diào)度等功能,提供穩(wěn)定快速的網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)。LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

動(dòng)態(tài)加速的節(jié)點(diǎn)分布在全國(guó)的各個(gè)地區(qū),每個(gè)節(jié)點(diǎn)都由多臺(tái)機(jī)器組成。如果將節(jié)點(diǎn)內(nèi)所有機(jī)器全都對(duì)外暴露,可能會(huì)有以下問題:LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

  1. 增加動(dòng)態(tài)智能選路服務(wù)的運(yùn)算量,一定程度上增加排查問題的復(fù)雜度;
  2. 如果單臺(tái)機(jī)器不可用時(shí)需要通過遠(yuǎn)端探測(cè)發(fā)現(xiàn)并反饋到選路服務(wù),進(jìn)而計(jì)算新的路并下發(fā),流程較長(zhǎng),造成路徑切換變慢;
  3. 動(dòng)態(tài)加速機(jī)房多為過保機(jī)器,存在硬件配置殘次不齊的情況,性能好的機(jī)器應(yīng)該處理更多的業(yè)務(wù)請(qǐng)求;

部署Ni之后LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

  1. 將機(jī)房?jī)?nèi)機(jī)器組成一個(gè)集群,收斂流量入口;
  2. 通過主動(dòng)健康檢查實(shí)時(shí)將不可用服務(wù)摘流,集群外部無(wú)感,服務(wù)恢復(fù)后自動(dòng)加回;
  3. 檢查集群內(nèi)機(jī)器的 CPU 使用情況,并根據(jù)配置參數(shù)做出實(shí)時(shí)調(diào)整;

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下圖為紅色部分代表機(jī)器 CPU 升高超出閾值后,自動(dòng)將該機(jī)器接流占比減小的監(jiān)控。LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

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 3.2 點(diǎn)直播CDN集群化場(chǎng)景的應(yīng)用

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單個(gè)點(diǎn)直播集群內(nèi)可能有幾臺(tái)或幾十臺(tái)機(jī)器,調(diào)度服務(wù)從感知資源池內(nèi)機(jī)器狀態(tài)變化到對(duì)用戶的請(qǐng)求做出反應(yīng),可能會(huì)有分鐘級(jí)的延遲,存在一定的滯后性。且在多機(jī)房、多機(jī)器的調(diào)度場(chǎng)景下,基于調(diào)度服務(wù)的負(fù)載均衡也難以完全將流量打均。將負(fù)載均衡能力下沉到機(jī)房?jī)?nèi)之后,反應(yīng)時(shí)間可以降低到秒級(jí),靈敏度更高。同時(shí)流量調(diào)度的的控制粒度也可以做到更加精細(xì),更有利于提升邊緣集群的利用率。LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

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下圖為某機(jī)房部分機(jī)器部署Ni前后48小時(shí)的的 QPS 對(duì)比,可以看到部署之后可以將請(qǐng)求平均分配到各機(jī)器,進(jìn)而平衡 CPU 使用率。LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

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說(shuō)明:因業(yè)務(wù)特性未開啟根據(jù)負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)整功能。在均衡請(qǐng)求量相同的情況下,因視頻資源不同等因素,CPU 會(huì)存在一定的差異。LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

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04 未來(lái)展望

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目前 Ni 已在動(dòng)態(tài)加速大節(jié)點(diǎn)及點(diǎn)直播 CDN 集群化場(chǎng)景全量。穩(wěn)定運(yùn)行保障S13 直播賽事。不過仍有需要補(bǔ)齊和優(yōu)化的地方。LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

  1. 支持黑白名單,通過 XDP 過濾邊緣的攻擊;
  2. 支持 RFC QUIC-LB 定義的規(guī)則;
  3. 支持基于 VIP 的 DSR 模式,消除因Conntrack造成的限制,進(jìn)一步降低負(fù)載;

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參考鏈接:

[1] https://blog.cloudflare.com/unimog-cloudflares-edge-load-balancer/LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

[2] https://github.com/dropbox/kglbLE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

[3] https://www.usenix.org/system/files/conference/nsdi18/nsdi18-olteanu.pdfLE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

[4] https://mp.weixin.qq.com/s/uPHVo-4rGZNvPXLKHPq9QQ LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

[5] https://github.com/github/glb-director/blob/master/docs/development/gue-header.mdLE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

李宇星LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

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李宇星  嗶哩嗶哩資深開發(fā)工程師李宇星 嗶哩嗶哩資深開發(fā)工程師LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

馮學(xué)銘  嗶哩嗶哩高級(jí)開發(fā)工程師馮學(xué)銘 嗶哩嗶哩高級(jí)開發(fā)工程師LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

劉宏強(qiáng)嗶哩嗶哩資深開發(fā)工程師劉宏強(qiáng)嗶哩嗶哩資深開發(fā)工程師LE628資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com


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