PingCAP 唐刘：如何利用混沌工程打造健壮的分布式系统？

[PingCAP]

作者：赵钰莹

本文转载于 InfoQ。

原文链接：https://www.infoq.cn/article/EEKM947YbboGtD_zQuLw

作为混沌工程的重要推动者，Netflix 在混沌工程手册（https://www.infoq.cn/article/AsN34J2T9QDXB0s-t9JN）中谈到，在生产环境进行软件验证的想法通常会被嘲笑。过去，这句话基本都被翻译为“我们在发布之前不打算完善地验证这些代码”。在经典的测试链路中，寻找软件缺陷的普遍信条是离生产环境越远越好。例如，在单元测试中发现缺陷要比在集成测试中发现更好，这里的逻辑是：离生产环境越远，或者是离发布越远的时候，发现的缺陷就越容易被找到根本原因并彻底修复。

对于混沌工程而言，整个链路刚好反过来：在离生产环境越近的地方进行实验越好，理想的实践就是直接在生产环境中执行。对于软件工程师来说，最难的莫过于，系统用户永远不会如预期那样与系统进行交互，混沌工程是解决这一问题的理想方法，可以让开发者了解除代码之外，整个系统其他方面的情况，特别是状态、输入、以及第三方系统导致的难以预见的行为。

据了解，在 TiDB 的研发初期，PingCAP 就引入了混沌工程，以此保证 TiDB 在各种极端情况下的稳定性。在 ArchSummit 全球架构师峰会（深圳站） 2019 大会期间，InfoQ 就混沌工程理念及实践这一话题采访了 PingCAP 首席架构师唐刘，以此了解 PingCAP 的实践历程。

唐刘，PingCAP 首席架构师，主要负责分布式 Key-Value 数据库 TiKV 的研发工作，也会折腾下 TiDB 整个产品的测试，工具开发等工作。

混沌工程与分布式系统

理解是实践的前提之一，唐刘在采访中坦言，混沌工程这个名字比较容易让人困惑，包括其英文“ Chaos Engineering ”，初次听到这个单词时确实不太好理解。唐刘表示：“最开始，我就是把它当成一种注入测试的方法，后来才发现这其实是一门工程学科，通过实验的方式发现问题并解决问题。”

其实，混沌工程的理念很早之前就存在，唐刘表示，过去使用的错误注入就可以理解为混沌工程的一种表现方式，只不过 Netflix 将其提炼出来变成了通用准则，只要照着相关方法就能实施混沌工程，而这一技术诞生之际就与分布式系统密切相关，在《 Chaos Engineering 》一书中是这样表述的：

混沌工程是在分布式系统上进行实验的学科 , 目的是建立对系统抵御生产环境中失控条件的能力以及信心 。 注：分布式系统就是，其中有台你根本不知道的机器故障了，有可能会让你自己的服务也故障。—— Leslie Lamport

即使可预见所有在控制范围内系统的状态，也总是会出现意外情况，比如系统依靠的某些外部服务突发宕机，这在系统搬迁上云后尤为明显，云服务也并不总是稳定可靠的。采访中，唐刘解释道，混沌工程主要是解决常规测试不能覆盖的问题。对于分布式系统来说，因为其异常的复杂性，加上错误可能在任何时候、任何地点发生，众多常规测试方法并不能保证系统正确。

当然，在某些场景下，直接在生产环境中进行实践是非常困难且不可用的，比如将干扰直接注入到行驶中的自动驾驶汽车的传感器上，这是比较危险的，但大部分用户应该都不是在操作这类生死攸关的系统。

相比较而言，唐刘认为混沌工程比较适合对数据安全性要求较高的场景。 此外，如果业务对故障容错有所承诺，也需要通过混沌工程验证系统是否可以支持容错。量化到具体指标来看，如果开发人员确定系统会宕机并且清楚宕机之后会造成较大损失，可以通过“支持快速终止实验”和“最小化实验造成的‘爆炸半径’”等方式实施混沌工程。

当执行任何混沌工程实验前，应该先有一个用来立即终止实验的“红色按钮”，更好的方法则是自动化该功能，当其监测到对稳定状态有潜在危害时立即自动终止实验。第二个策略涉及在设计实验时，考虑从实验中获得有意义结论的同时，兼顾最小化实验可能造成的潜在危害。

无论是架构师、开发人员还是测试人员，唐刘都建议关注这一技术，这相当于从另一个视角审视系统，尤其是对开发者而言。唐刘补充道，开发一个优秀的系统并不只是写代码就足够了，测试不应该仅仅依靠测试人员，他一直相信：

优秀的开发者一定是优秀的测试人员。

PingCAP 混沌工程实践

如上文所言，在开始研发 TiDB 时，PingCAP 就决定引入混沌工程，应该算是国内吃螃蟹的团队之一。谈到当初的引入原因，唐刘表示，起初开发分布式数据库时，整个团队很自然就想到需要保证开发的数据库能够让用户放心使用，这就需要进行各种各样的测试。当时，Netflix 开发的 Chaos Monkey 已经非常知名，得益于 Netflix 成功的部署经验，PingCAP 团队想到利用该工具解决稳定性问题。

回顾整个实践历程，唐刘表示大概可以分为三个阶段，第一个阶段是 2017 年之前，那时并没有自动化的概念，所有实验全部需要手动完成，包括申请机器、手动部署等。虽然比较繁琐，但也在系统上线之前发现了不少问题。

第二个阶段是从 2017 年到 2019 年初，PingCAP 基于 K8s 搭建了一套自动化 chaos 框架，叫做 Schrodinger，这套系统极大提升了整体生产力，只需自定义要做的实验，Schrodinger 就能搞定。

第三个阶段则是 2019 年初至今，PingCAP 一直在做 Schrodinger Cloud，Schrodinger 主要是为测试 TiDB，也可用来测试 TiDB 的周边工具，甚至是合作伙伴的业务。面对这些需求，PingCAP 考虑基于 K8s 做一套更加通用的 Chaos 框架，采用 Operator 的方式，任何 Chaos 在 K8s 里面都是 CRD，用户只需要定义好自己的 CRD，Schrodinger 就可以自动完成后续事宜。

在开发混沌工程实验时，唐刘建议可遵循以下原则，将有助于实验设计：

• 建立稳定状态的假设；

• 多样化现实世界事件；

• 在生产环境运行实验；

• 持续自动化运行实验；

• 最小化“爆炸半径”。

具体来说，系统稳态可以通过一些指标，比如延迟和 QPS 数据等来定义，当系统指标在测试完成后，无法快速恢复稳态要求，可以认为这个系统是不稳定的；其次，引进多样化的现实变量，比如网卡、磁盘故障等；然后，最为重要的是在生产环境中进行验证，这样做是存在风险的，因此最好提前与协作部门同步；最后，自动化可以让整个过程的效率更高，最小化“爆炸半径”可以避免不必要的损失。

举例来说，对于一个三副本的系统而言，可以通过随机杀死 Leader 节点的方式来验证系统是否可以保持稳态。可预想的情况是系统在主节点被杀死后会出现一段抖动，随后恢复正常则证明系统是具备容错能力的，反之，则证明系统存在问题。

在这之中，主要有两个大方向：一是发现错误；二是注入错误。TiDB 主要通过 Metrics （ Prometheus 项目）、Log 和 Tracing 三种方式分析系统状态。其中，TiDB 默认不开启 Tracing 方式，因为这会对性能产生一定影响，仅在必要时启动该方法。至于注入错误，应用、存储、网络、CPU 等存在多种故障方式，唐刘在分享中提到了如下部分，供开发者参考：

根据过往实践经验，唐刘建议希望使用混沌工程的开发者可以参考混沌工程主页（https://principlesofchaos.org/） 列出的步骤和原则。但是，要想真正实践，还需要做很多工作，包括更好地对系统进行错误注入，更好地发现系统问题，这些其实业界没有通用的解决方案，因此实践起来还是比较麻烦的。采访中，唐刘推荐可以阅读 Netflix 的《 Chaos Engineering 》一书（中文翻译版：https://www.infoq.cn/theme/13），GitHub 上有一个 awesome-chaos-engineering 的 Repo （https://github.com/dastergon/awesome-chaos-engineering）也可以参考。此外，如果整个开发团队本来对测试就不太重视，认为这完全是测试团队的事情，那可能也很难推动混沌工程落地。

结束语

三年前，我很少听到有人谈论混沌工程，现在已经蛮多了。

采访最后，唐刘表示如今的混沌工程在国内已经比较出名，这个概念应该已经进入普及阶段。但据唐刘的了解，国内真正对其应用很好的，并没有特别多公司，大部分仍然处于理清概念，但不知道如何实施的阶段。在这种背景下，企业可能最需要关注的是如何建立起自己的一整套自动化测试平台，实现对系统的自动错误注入，并自动发现系统问题。在此基础上，企业可以根据业务情况考虑深入实践混沌工程。