【Azure 应用服务】App Service/Azure Function的出站连接过多而引起了SNAT端口耗尽，导致一些新的请求出现超时错误(Timeout)

问题描述

当需要在应用中有大量的出站连接时候，就会涉及到SNAT(源地址网络转换)耗尽的问题。而通过Azure App Service/Function的默认监控指标图表中，却没有可以直接查看到SNAT是否耗尽的问题（可以间接参考App Service Plan级中Metrics的 Socket Outbound All指标[截图见文末附录一]，但是由于它是整个Plan下所有App Service的汇总数据，不能直接表明SNAT是否超过128的限制）。

这里所说的出站连接如：SQL数据库， Redis缓存以及其他的Restful API等等需要从App Service中向外发出的请求。当SNAT耗尽后，会出现以下一种或多种问题：

App Service的响应速度缓慢。
间歇性 5xx 错误或“错误的网关”错误
超时错误消息
无法连接到外部终结点（例如 SQL DB，Redis，及其他API等）

问题分析

因为App Service是部署在云服务中，所以它也遵循着一个集群中很多实例(VM)通过负载均衡器的前端 IP 建立出站连接，所以出站的端口就成了用于维护不同流的唯一标识符。因为在网络流量的五元组中

目标 IP
目标端口
源 IP
源端口
协议

如访问Redis服务(redistest01.redis.cache.chinacloudapi.cn 6380)，目标IP为固定不变为RedisHost，而端口则固定为6380，源IP为当前App Service的出站IP，协议方式为Redis的序列化协议(RESP)。以上1，2，3，5都不可变的情况下，只有4 源端口可以改变，所以这里就需要使用SNAT。

如App Service中一个示例（Worker Instance）发送TCP协议，介绍SNAT的工作流程：

1）App Service应用发送一个TCP包到外部IP地址，源地址和端口在TCP包中。

2）TCP包从App Service应用的工作实例上发送到SNAT负载均衡，SNAT改变了TCP包中的源地址为负载均衡器的公共IP地址和端口号。然后发送到外面目标IP地址。

Attribute	Value
Protocol	TCP
Worker instance IP address:port	10.0.5.60:51014
Load balancer IP address:port	13.76.245.72:12481
External endpoint IP address:port	52.189.232.180:80

3）外部服务接收到这个TCP包后，会原路回包，它会使用负载均衡器的公共IP地址和端口后作为目标IP和端口。

4）当负载均衡器收到外部服务的回包后，它将根据第2步中的映射关系，修改TCP包中的目标IP和端口。如此TCP回包就正确的回到了App Service的工作实例上。

负载均衡器的前端 IP 分配的每个公共 IP 都会为其后端池成员分配 64,000 个 SNAT 端口，后端池中大约有400多个实例，所以大约分配到每个实例的SNAT端口为64,000/400 =160(最大）, 但是实际上分配的个数为128个。

间歇性连接问题的主要原因是在建立新的出站连接时遇到限制。可以命中的限制包括：

TCP 连接数：可以建立的出站连接数有限制。对出站连接的限制与使用的辅助角色的大小关联。
SNAT 端口： Azure 使用源网络地址转换 (SNAT) 和负载均衡器 (不向客户公开，) 与公共 IP 地址进行通信。最初为 Azure 应用服务中的每个实例预分配了 128 个 SNAT 端口。 SNAT 端口限制会影响与相同地址和端口组合的打开连接。如果应用与混合的地址/端口组合建立了连接，则不会用尽 SNAT 端口。重复调用同一个地址/端口组合时，会用尽 SNAT 端口。释放某个端口以后，即可根据需要重复使用该端口。 只有在等待 4 分钟后，Azure 网络负载均衡器才会从关闭的连接回收 SNAT 端口。

当应用程序或功能快速打开新的连接时，它们可能很快就会耗尽预分配的配额（128 个端口）。然后，应用程序或功能会一直受到阻止，直到通过动态分配额外的 SNAT 端口或者通过重复使用回收的 SNAT 端口提供了新的 SNAT 端口为止。如果你的应用程序用完了 SNAT 端口，则会出现间歇性的出站连接问题。

解决办法

避免 SNAT 端口问题意味着需要避免对同一主机和端口反复创建新连接。连接池是解决该问题的更显而易见的方法之一。

如短时间无法修改代码，基于App Service, Azure Function的易扩展的特性，可以增加实例个数来及时缓解SNAT的受限问题。当每增加一个实例，SNAT端口即可增加128个。

建立连接池的方式一：HttpClientFactory 建立 HTTP 连接池

尽管 HttpClient 实现了 IDisposable 接口，但它是为重复使用而设计的。关闭 HttpClient 的实例使套接字在 TIME_WAIT 一小段时间内处于打开状态。如果经常使用创建和处置对象的代码路径 HttpClient ，应用可能会耗尽可用的套接字。 ASP.NET Core 2.1 中引入了HttpClientFactory作为此问题的解决方案。它处理池 HTTP 连接以优化性能和可靠性。

建议：

不要直接创建和释放 HttpClient 实例。
请使用 HttpClientFactory 来检索 HttpClient 实例。

示例部分

1）以下代码即可复现SNAT快速耗尽的情况(没有及时释放Response资源)

public string Index(string url)
{
    var request = HttpWebRequest.Create(url);
    request.GetResponse();

    return "OK";
}

可以修改为：

public string Fin(string url)
{
    var request = HttpWebRequest.Create(url);
    var response = request.GetResponse();
    response.Close();

    return "OK";
}

2）下面使用Using来释放httpclient对象，但是也是用以导致SNAT耗尽的问题。

public async Task<string> Client(string url)
{
    using (var client = new HttpClient())
    {
        await client.GetAsync(url);
    }

    return "OK";
}

可以考虑重用HttpClient来缓解SNAT耗尽问题

private static Lazy<HttpClient> _client = new Lazy<HttpClient>();

public async Task<string> ReuseClient(string url)
{
    var client = _client.Value;
    await client.GetAsync(url);
    return "OK";
}