警惕！四层、七层负载乱用，Java lettuce连接池故障一例
01
写在之前
负载均衡
负载均衡建立在现有网络结构之上，它提供一种廉价、有效、透明的方法，扩展网络设备和服务器的带宽、增加吞吐量、加强网络数据处理能力、提高网络的灵活性和可用性。（百科）
| 四层负载 | 七层负载 | |
| 概念 | IP+Port实现的负载均衡、不涉及具体协议、工作在TCP层、只转发你的流量，不关注流量内容是什么，只转发即可 | 七层是应用层、带协议的才能称为七层，它是基于应用层协议的信息进行转发，七层负载均衡也称为“内容交换”，主要是通过报文中具有真正意义的应用层内容，再加实现负载均衡的设备设置的服务器选择方式 ，决定最终选择哪台上游内容服务器；最常见的是http协议， |
| 实现方式 | 使用三层的IP与四层的端口，来决定哪些流量做负载均衡，对需要做负载的流量进行NAT处理或直连路由或ip隧道的方式 ，把流量转发至上游服务器、并记录这个TCP或者UDP流量是由哪台上游服务器处理，后续这个连接的所有流量都同样转发到同一台服务器处理； | 七层是在四层基础之上存在的，它在在四层的基础上结合应用层协议的特性进行负载，比如一个http服务，除了根据三层的IP+四层的端口来辨别哪些流量需要处理，还能基于七层的URI、浏览器类别、Cookie、语言等信息来决定负载均衡； |
| 工具选择 | LVS、Nginx、HAProxy、F5等 | Nginx、HAProxy、Squid、F5等 |
| 利弊 | 简单、直接转发，不需要太多复杂配置，安全性相对7层差一些； | 更智能化（例如根据用户请求内容区分图片服务器或者对文本进行压缩等），对客户端请求和服务器端的响应可以做修改（header信息、超时配置等），提高应用系统的灵活性；安全方面可以定制一些策略如waf、还有SYN Flood攻击，四层负载会直接到上游服务器，而七层的这些SYN攻击，到负载均衡就截止，不会影响到上游服务器，提高一些安全性； |
工作场景中，根据公司业务需要自行选择使用哪种负载均衡即可，一般情况下http应用使用七层负载较多，其它七层应用协议如mysql协议、redis协议等都不建议使用七层负载均衡，因为七层均衡设备或软件很少会实现这种专有协议的负载算法。
五层协议模型
目的是熟悉协议工作在哪一层，数据承载形式是什么，redis协议是7层应用层协议，7层负载均衡设备是否就能实现所有七层协议呢？一般情况下不能，这里的redis是应用层协议，属于专用私有协议，但7层负载均衡如果实现了redis协议，就可以做7层负载，但如果没有实现也能类似HTTP一样用7层负载，强烈不建议这样的用法，因为会出现各种奇葩问题，建议使用4层负载就好了。
| 五层模型 | 常见协议 | 数据表现形式 |
| 应用层 | HTTP、FTP、Telnet、SNMP、DNS、SMTP、TFTP以及mysql、redis、grpc专有协议等都属于应用层协议 | 消息（message） |
| 传输层 | 有连接安全的TCP，无连接不安全UDP | TCP的叫做Segment（数据段）UDP的叫做数据报（Datagram） |
| 网络层 | ICMP、IP、BGP、IGMP、RIP、OSPF等协议 | 数据包（Packet） |
| 数据链路层 | ARP、RARP、PPP、MTU等协议 | 数据帧（Frame） |
| 物理机 | EEE802，IEEE802.11等协议 | 二进制位 |
除了上面的数据承载形式外，还有一种叫数据单元（data unit）的数据，常用的数据单元有服务数据单元（SDU）、协议数据单元（PDU）；SDU是在同一机器上的两层之间传送信息，而PDU是发送机器上每层的信息发送到接收机器上的相应层（同等层间交流用的）。
F5 基础知识
F5是硬件负载均衡器，分LTM和GTM，配置中均有几个重要参数：Node（节点）、Pool（资源池）、和Virtual Server（虚拟服务器）。
在配置F5的过程中Virtual Server是核心，通过配置它，可以关联到Pool、Node、并且为VS分配一个IP，这里简单说下配置VS时的类型有哪些，这些也是F5的负载均衡类型，VS的Type有Performance L4、Standard VS、Forwarding IP 和 Fast Http，这里重点介绍下4层与7层负载均衡，其它两种不做多过介绍。
Performance L4类型的Virtual Server，是我们常说的四层负载均衡，也是一般企业都会选择的类型，因为它对应用系统的影响小、转发快、不改变TCP中的任何参数、直接转发。
Forwarding IP类型的 Virtual Server 它主要用在内外网路由功能上面，如果要使用路由功能，需要单独开启，这里不过多介绍。
02
问题排查
问题解决后图示
问题描述
最近升级 codis proxy 时，发现升级完成后，Java 程序无法连接 Codis 的现象，线上大面积报警，没有办法只能重启下Java程序，服务正常；访问方式是Java 程序访问F5 VS IP，然后由 VS IP 负载到 Codis Proxy，这个问题不解决，影响后续 Codis Proxy升级。
信息收集
1. 网络反馈 F5 VS 配置未变更过；
2. Java程序也未发版，使用 lettuce连接池通过F5 VS 去访问 Codis 服务 ；
3. 升级 codis proxy 即 codis proxy重启过；
4. RD 同学反馈连接 codis异常，建议重启试下；
5. 重启后正常，把出问题的 Java 程序全部重启，业务恢复；
6. 其实这个时间回滚 codis proxy 代码也不能解决这个问题，必须 重启Java 程序（一般是谁升级了，就回滚谁，百分之八九十可以解决，很可惜此时回滚codis proxy 代码是无法解决）。
怀疑猜想
1. codis proxy 新代码导致，但中间件同学反馈，Java 程序重启之后正常，说明codis proxy 升级后的程序没有问题；
2. Java 使用的 lettuce 客户端套件问题；
3. Java 程序异常，日志显示如下：
[2020-02-28 10:21:52.180] [http-nio-8080-exec-5] ERROR [b9c9e148e24f478aba6d75cf93a21f0d] [] [] [] c.j.fsinnerapi.app.provider.common.exception.handler.GlobalExceptionHandler - occur error:
org.springframework.data.redis.connection.PoolException: Returned connection io.lettuce.core.StatefulRedisConnectionImpl@4afe9497 was either previously returned or does not belong to this connection provider大意是先前链接已经返回，或者是不属于此连接提供者，说明先前的链接已经失效了，抛出异常了。
肯定是codis proxy 升级重启过程中导致问题，但问题原因究竟是什么呢？不可能因为升级codis proxy，把所有应用全部重启一次吧，陷入僵局，现在抓包分析吧。
抓包分析
java程序服务器端
三次握手是成功的，在Push数据时，被reset掉了，这里的reset是谁发出来的呢，根据TTL可以判定是F5。
F5与Java程序端
F5与Java程序之间的数据包，与Java程序端的一致，但这里的TTL是255，自身发出的RST。
F5到Codis proxy数据包与codis-proxy自己的数据包，均没有tcp.port == 6701的数据包，根据TTL的判定，应该是七层RESET，原因是如果七层代理有设计RESET功能，并且在无法连接后端程序的时候，发送RESET应用层响应包给客户端，那就认为是七层RESET，如果没有，而只是机械转发后端TCP层的包给客户端，就是四层RESET。从这里发现这个F5的 VS 竟然是七层负载均衡；
排查过程异常的曲折，当时抓包的时候，在重启完proxy后，立即停止了抓包，就出现类似上面的数据包；继续实验，让Java程序直接连 Codis proxy时，重启Codis proxy，Java程序丢几个包后，很快就能重新获取连接，继续访问codis并操作，RD 认为是F5的问题，F5同学目前也不确认问题原因，从这里可以得出Java 程序通过4层直连codis proxy，codis proxy重启时，Java程序丢几个包后，即可直接继续访问，无需重启；
从上面两个方面可以发现，F5 VS使用的七层负载，直连相当对4层，直接让F5同学修改VS配置，修改成4层转发，Codis Proxy 重启，Java 程序丢几个包后正常，到此问题找到了一个解决办法。
到底是什么原因造成的这种现象呢？Codis Proxy程序不升级，F5 VS 使用的七层负载（使用七层负载，暂不说是否合理），Java 程序能正常访问，为什么Codis Proxy 重启后，Java 程序收到一些RESET后，再连F5 VS 就不成功了呢？RD反馈是RESET，这句话看着没有什么太大的问题，其实里面隐藏着一个问题，RESET是什么时候发的，怎么判定 Java程序收到 Reset（Codis Proxy重启过程中）后又重新发起过连接呢？通过再次抓包分析（重启后多抓一段时间的数据包），确实论证了一个问题点，Codis Proxy重启正常后，Java 程序没有再发起连接请求，不重试了，Java 客户端放弃“治疗”，出现上面的 Java 异常错误。到这里基本上可以判断，应该是 Java 客户端使用 lettuce 连接池问题。
入手点是 lettuce 连接池源码，思路是七层负载时，VS IP:9100一直是通的，即使Pool池中所有NodeIP:Port都down了，也不影响IP:9100，客户端依然可以连接，四层负载（直连时）VS IP:9100是随Codis Proxy 端口存在而存在，重启时Java 客户端可以感知到IP:9100的存在与否。
问题本质原因
应用系统基于SpringBoot2.x版本开发，并配合使用Spring官方推荐的Lettuce作为Redis连接池套件。
Lettuce开发者认为，Redis单线程效率较高，而在项目实际开发过程中，仅阻塞或事务性操作对Redis的连接时长要求较高，所以Lettuce连接管理单元在默认情况下仅开启一个本地链接供多个LettuceConnector使用，也就是说，在默认情况下，即使你配置了连接池，实际上使用的也仅仅是一个物理连接，且默认情况下Lettuce不会校验该链接的可靠性（是否被关闭、是否可以ping通），所以链接永不释放。
Lettuce通过两种链接方式进行访问redis服务
| 独享链接 | 共享链接 |
| 多线程分别持有独立的连接（每个线程单独建立Socket） | 多线程共享同一个链接 |
| 每个操作都会开启和关闭对应的连接 | 连接永不关闭，且默认情况下不进行可靠性校验 |
| 默认情况下，阻塞性、事务性操作会强制开启一个独占链接 | 默认情况下，非阻塞性、非事务性操作都只能使用共享连接进行操作 |
private boolean validateConnection = false;
private boolean shareNativeConnection = true;由于使用了默认参数配置即共享链接，它只开启一个NativeConnection 实际上仅开启了一个连接。
七层负载时F5 VS IP:9100是通的，Codis Proxy重启时，不影响F5 VS IP:9100的连通性，Java程序无法感知到Codis Proxy重启了，它一直认为服务是正常的，但Codis Proxy 重启导致LettuceConnectionFactory.SharedConnection（共享链接模式下）的validateConnection方法在校验时失败，就会重复调用connectionProvider.release(connection)，即出现上面的异常日志，并没有重试再去连接，而一直异常状态；
四层负载时F5 VS IP:9100 随Codis Proxy重启，而Java的Lettuce 可以感知到，连接被关闭；
| 参数 | 四层负载 | 七层负载 |
| validateConnection = false; shareNativeConnection = true;（默认） |
共享链接方式正常访问 | 共享链接方式不可以正常访问，报异常错误 |
| validateConnection = false; shareNativeConnection = false; |
独享链接方式正常访问 | 独享链接方式正常访问 |
各位RD同学可读下源码分析一下，这里给一个网上分析链接：https://segmentfault.com/a/1190000016417906
03
总结
此问题有两种解决方案，一是七层负载修改成四层（这里由于是F5，支持这种应用层协议使用Standard 类型可以使用，Nginx无法使用七层代理这种非标准应用层协议，4层stream 可以），另一种修改Java使用lettuce连接池参数，禁止lettuce作者推荐的共享式，使用独立链接方式，连接池默认5个连接，使用完成，再重新创建。（由于我是运维，lettuce 源码读的不是精，如有错误，可以指点出来，在这里谢谢你）
郑重声明下非标准的应用层协议，一律推荐使用4层负载，不能使用七层负载，类似MySQL、Redis协议等，原因：Redis是应用层协议，但不能使用7层负载，一是因为负载转换器不可能实现这种私有的协议，二是因为这样一来会造成很多意想不到的错误，并且大部分七层反向代理服务器（软件）不支持这种操作，只有像F5这种硬件设备才支持。
附件 F5 四层负载配置图示
附件 F5 七层负载配置图示
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