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本文为腾讯会议背后技术系列第一篇
疫情期间，腾讯会议作为一款非常便捷的远程协作工具，成为国内众多企业日常会议沟通交流的主要平台。殊不知，这款产品从 2019 年 12 月 26 日才正式推出。如何在这么短的时间内，有效撑起国内数以亿计的用户访问量，保证系统的稳定运行？本文来自腾讯云的技术人员，为你解析 8 天时间内完成 100 万核资源的扩容背后的技术，希望对大家有所借鉴。
如果需要交付 100 万核的计算资源，需要做什么？准备资源，然后按用户需求进行交付。如果在前面加一个定语“快速”呢？可以加班加点完成。但是如果要实现 8 天内完成 100 万核的资源交付，换算下来，每天需要交付 12.5 万核，这就有点苛刻。在云计算的历史上，从未出现过类似的案例。
那么，腾讯会议是如何做到的呢？
解决思路
首先，分析如此短的时间内，交付这些资源需要做哪些事情，会遇到哪些问题。
实际上，借助于当前成熟的虚拟化技术，可以基于已经制作好的镜像系统文件，快速地部署一套用于提供服务的生产环境，所以，只需要准备好足够的计算资源就能够实现服务的无限扩容，而这个过程大概需要以下四步。
1. 准备资源，投放物理机：作为云计算服务提供商，首先资源是第一位的，所以第一步要准备用于提供服务的物理机。这 100 万核心的资源，相当于约 12000 台物理机。以防资源不足的问题，需要快速将这些物理机全部上架，同时，保证每台物理机经过验证，并且部署了正确版本的后台组件。
2. 资源注册与分配：有了物理机资源，下一步就需要把初始化好的物理机资源投放到现网环境中，确保每一台物理机资源都在 CVM 后台服务中注册。腾讯云操作系统 VStation 需要维护数十万级的物理机资源，这无疑对资源调度能力提出了极大的挑战。这一步需要快速将所有计算资源找到对应的物理机承载。
3. 资源创建与交付：当后台调度系统选择好承载计算能力的物理机之后，下一步是到物理机上创建虚拟机资源。这一步看似简单但需要做的事情却不少，如生成用户控制数据，与存储、网络系统交互，生成对应的虚拟机配置，启动虚拟机。
4. 虚拟机初始化：虚拟机成功创建之后，就已经可以交付使用了。不过可能还需要进行配置，如拉取配置、加入服务集群、启动服务等。
完整历程解密
图 1 是腾讯云操作系统 VStation 架构图，腾讯云操作系统 VStation，承担资源调度、请求排队的任务，已经对大批量、高并发的创建请求进行了充分优化。具体来说：
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API 部分接入用户请求，管理用户角色、CVM 机型、用户配额等；
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云操作系统 VStation，承担资源调度、请求排队，目前虚拟机每分钟吞吐可达到 5000 台；
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Host 组件上安装用于生产和配置 CVM 实例的各种辅助组件。
图1：VStation 云操作系统
下面从资源准备、注册与分配、创建与交付、虚拟机初始化四大部分详细介绍下其中的具体过程。
1. 准备资源，投放物理机
腾讯云基于定制化腾讯 TLinux、自研的虚拟化 hypervisor 系统，可以实现批量自动部署、自动投放，并且在投放到现网之前进行自动验证，保证软硬件不存在隐患。腾讯云 Host 组件管控系统，方便管理腾讯云 hypervisor 上的各种代理组件，易于发布，方便运维。
图2：Host 初始化过程
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安装系统：运维平台从资产管理平台 CMDB 拉取对应 Host 相关机型信息，寻找与该机型对应的 TLinux 操作系统控制 BMC 配置从 pxe 启动，从 pxe 服务器拉取系统镜像安装系统。
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系统初始化：安装完系统后需要配置各种系统参数，调优。
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部署 Host 使用的组件：每种不同机型的 CVM 使用的 Host 会使用不同的后台 Agent，以及相关配置。通过 Host 组件管控系统 Host 使用的插件进行统一管理，下发。
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导入集群：已经初始化好的 Host，需要导入到 VStation 集群才能售卖和生产 CVM。
图3：Host 组件管控系统
Host 组件管控系统用于下发 Host 组件、灰度版本、控制、支持并发下载、灰度发布，同时上报 Host 上各个组件的信息、组件健康管理、自动拉起组件、异常告警等。
2. 资源注册与分配
作为整个系统的核心，腾讯云操作系统 VStation 需要管理 10 万级的物理机资源，近千万级的核数，所以需要实现快速和稳定的调度系统。VStation 服务类似 Google Borg/Omega 使用的分布式调度架构，对计算资源进行调度。
图4：VStation 调度系统
其中，水平扩展调度器支持横向扩容，每个调度器拥有几乎全部的集群信息，方便掌握全局资源；采取增量同步、定时更新、局部缓存的方式，尽可能多地掌握全局视图，并且维持集群状态信息的准确性。
调度决策方面，将可能过滤掉更多物理机的基础条件放在调度器的靠前位置，过滤掉无法满足基本条件的物理机列表，减少调度过程中物理机集合在不同调度器之间的传递；同时，根据多个维度，如物理机资源使用率、剩余资源等，对满足装箱条件的物理机进行排序，尽可能优先使用优质 Host 资源，合理调配。此外，避免多个调度器在并发时选中相近的物理机，对经过排序后的物理机进行随机调整，减少大并发时造成的冲突。
3. 资源创建与交付
解决资源调度问题后，需要在选中的物理机上创建虚拟机资源，其中有一些耗时的硬性阶段无法解决，VStation 对此结合资源创建过程的的特点，做出了令人满意的优化，把单台虚拟机创建时间基本控制在3-5 秒。
前面提到，资源创建需要与诸如用户控制数据、网络服务、存储服务、镜像服务、密钥、安全组服务等进行交互，完成用户与所创建的虚拟机资源之间的映射。VStation 平台设计之初就考虑到高并发，批量创建的场景，对周边系统的交互实现了并行化通信。同时，为支持高并发，提高服务的吞吐量，每种与其他服务交互的工作进程通过高可用消息队列通信，都是无状态和可扩容的。真正实现了高可用、高并发、自动容灾。图 5 是 VStation 内部系统的核心架构。
图5：VStation 后台架构
VStation 通过高可用的消息队列，控制数据与周边系统交互的工作进程间通信，同时对创建过程中的关键任务按照依赖关系实现并行化，最大限度的压缩创建总耗时。针对高并发请求，为减少对系统自身的影响，系统具备以下特性：
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控制信息载荷自动压缩
控制消息携带了 CVM 实例的各种控制信息：计算、存储、网络以及各种元数据信息。随着系统功能增加，控制层面数据也有所增长，控制信息载荷增大。使用压缩算法在投递消息前进行压缩并在接受消息后解压缩，能够大大降低消息占用消息总线，提高消息吞吐率。目前 VStation 使用开源 LZ4 – Extremely fast compression 压缩和解压缩算法，压缩速率可达到 780 MB/s，解压缩速率在 4970 MB/s，压缩率在 2 倍左右。
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负载平衡
分布式系统中会使用多个实例以增加系统请求响应吞吐率，控制模块负载平衡可以保证请求均匀地被各个 worker 处理。负载平衡需要后台处理请求的 worker 均匀分配到不同处理实例上，降低等待队伍长度，并发执行任务。同时需要将虚拟机实例尽量均匀地分配在不同 Host。
将并发请求尽可能均匀地分在不同物理机，有利于加快办法创建速度。生产虚拟机较为耗时的任务有创建虚拟机磁盘、下载虚拟机镜像、申请网卡、配置网络等。如果多台虚拟机串行地在同一台物理机上创建，必然是系统瓶颈，创建耗时延长。VStation Scheduler 在装箱时，每个 Scheduler 实例有近乎全局的资源视图，对同一批次的创建任务，可以在虚拟机并发装箱时保证虚拟机尽量不落在同一台物理机。
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流控系统
当请求数超过系统承载能力时，如果不加控制，会对周边系统造成危害，导致系统过载，内部组件异常（如 DB 慢查询、不响应、消息队列丢消息），破坏性较大，严重时会造成服务不响应，甚至用户数据不一致。VStation 增加排队机制，降级服务，而不是返回系统内部错误，以提升用户体验。流控系统由以下几个方面组成：
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关键请求频次控制：在 API 请求频次上对用户做限制，防止恶意用户频发请求系统，如恶意购买，刷单等。
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用户配额限制：限制用户随意申请资源，尤其是按量资源，限制配额。
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后台请求排队与流速控制：任何系统都有能承载的处理容量，当 VStation 正在处理的请求超过一定阈值时，对新加入的请求不做拒绝处理，而是放入等待队列中待正在处理的任务完成后继续执行。
图6：VStation 流控系统
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任务编排优化
一个完整的创建任务涉及到的各种子任务较多，单纯串行执行虽然逻辑清楚且维护简单，但不利于充分发挥系统能力，高并发创建场景中耗时较长。通过分析虚拟机实例创建过程中的各种依赖关系，将不耦合的任务并行执行，把简单的单项图转换成有向无环图（DAG），进一步提升任务的并行度。
图7：创建流程任务优化
调整后，单台 CVM 实例创建任务可以控制在 5 秒以内。
4. 虚拟机初始化
提到云主机的初始化，CVM 支持使用云原生的 cloud-init 服务，支持云计算主机镜像初始化协议，用户通过传入自定义的脚本程序，实现云主机创建后自动执行预定义配置。同时，腾讯云提供实例 metadata 服务。用户在自定义脚本程序中可以访问实例 metadata 服务获取与实例有关的信息，如 IP 地址、实例名称等，来实现每个实例的特殊化配置。
图8：CVM 元数据
CVM 实例相关元数据信息包括镜像、用户数据、vendor 数据、元数据几部分组成。其中镜像信息和用户数据信息可以让用户自行配置，vendor 数据和实例元数据（如 IP 信息、地域信息等）可以通过内网访问腾讯云元数据服务获取，从而实现快速自动化配置 CVM 实例。
总结
8 天内完成为腾讯会议扩容 100 万核的任务，在此一役，腾讯云 CVM 后台服务有效地支持了高并发请求，通过优化调度算法、优化内部架构、降低创建耗时，完美经受住了此次考验。未来，将更有信心迎接其它更艰巨的挑战。