深入解讀Service Mesh 背后的技術細節

【本文轉自微信公眾號：劉超的通俗云計算】
在Kubernetes稱為容器編排的標準之后，Service Mesh開始火了起來，但是很多文章講概念的多，講技術細節的少，所以專門寫一篇文章，來解析Service Mesh背后的技術細節。

　　一、Service Mesh是Kubernetes支撐微服務能力拼圖的最后一塊

　　在上一篇文章為什么 kubernetes 天然適合微服務中我們提到，Kubernetes是一個奇葩所在，他的組件復雜，概念復雜，在沒有實施微服務之前，你可能會覺得為什么Kubernetes要設計的這么復雜，但是一旦你要實施微服務，你會發現Kubernetes中的所有概念，都是有用的。

　　在我們微服務設計的是個要點中，我們會發現Kubernetes都能夠有相應的組件和概念，提供相應的支持。

　　其中最后的一塊拼圖就是服務發現，與熔斷限流降級。

　　眾所周知，Kubernetes的服務發現是通過Service來實現的，服務之間的轉發是通過kube-proxy下發iptables規則來實現的，這個只能實現最基本的服務發現和轉發能力，不能滿足高并發應用下的高級的服務特性，比較SpringCloud和Dubbo有一定的差距，于是Service Mesh誕生了，他期望講熔斷，限流，降級等特性，從應用層，下沉到基礎設施層去實現，從而使得Kubernetes和容器全面接管微服務。

　　二、以Istio為例講述Service Mesh中的技術關鍵點

　　就如SDN一樣，Service Mesh將服務請求的轉發分為控制面和數據面，因而分析他，也是從數據面先分析轉發的能力，然后再分析控制面如何下發命令。今天這篇文章重點講述兩個組件Envoy和Pilot

　　一切從Envoy開始

　　我們首先來看，如果沒有融入Service Mesh，Envoy本身能夠做什么事情呢?

　　Envoy是一個高性能的C++寫的proxy轉發器，那Envoy如何轉發請求呢?需要定一些規則，然后按照這些規則進行轉發。

　　規則可以是靜態的，放在配置文件中的，啟動的時候加載，要想重新加載，一般需要重新啟動，但是Envoy支持熱加載和熱重啟，一定程度上緩解了這個問題。

　　當然最好的方式是規則設置為動態的，放在統一的地方維護，這個統一的地方在Envoy眼中看來稱為Discovery Service，過一段時間去這里拿一下配置，就修改了轉發策略。

　　無論是靜態的，還是動態的，在配置里面往往會配置四個東西。

　　一是listener，也即envoy既然是proxy，專門做轉發，就得監聽一個端口，接入請求，然后才能夠根據策略轉發，這個監聽的端口稱為listener

　　二是endpoint，是目標的ip地址和端口，這個是proxy最終將請求轉發到的地方。

　　三是cluster，一個cluster是具有完全相同行為的多個endpoint，也即如果有三個容器在運行，就會有三個IP和端口，但是部署的是完全相同的三個服務，他們組成一個Cluster，從cluster到endpoint的過程稱為負載均衡，可以輪詢等。

　　四是route，有時候多個cluster具有類似的功能，但是是不同的版本號，可以通過route規則，選擇將請求路由到某一個版本號，也即某一個cluster。

　　這四個的靜態配置的例子如下：

　　如圖所示，listener被配置為監聽本地127.0.0.1的10000接口，route配置為某個url的前綴轉發到哪個cluster，cluster里面配置負載均衡策略，hosts里面是所有的endpoint。

　　如果你想簡單的將envoy使用起來，不用什么service mesh，一個進程，加上這個配置文件，就可以了，就能夠轉發請求了。

　　對于動態配置，也應該配置發現中心，也即Discovery Service，對于上述四種配置，各對應相應的DS，所以有LDS, RDS, CDS, EDS。

　　動態配置的例子如下：

　　控制面Pilot的工作模式

　　數據面envoy可以通過加裝靜態配置文件的方式運行，而動態信息，需要從Discovery Service去拿。

　　Discovery Service就是部署在控制面的，在istio中，是Pilot。

　　如圖為Pilot的架構，最下面一層是envoy的API，就是提供Discovery Service的API，這個API的規則由envoy定，但是不是Pilot調用Envoy，而是Envoy去主動調用Pilot的這個API。

　　Pilot最上面一層稱為Platform Adapter，這一層是干什么的呢?這一層不是Kubernetes, Mesos調用Pilot，而是Pilot通過調用Kubernetes來發現服務之間的關系。

　　這是理解Istio比較繞的一個點。也即pilot使用Kubernetes的Service，僅僅使用它的服務發現功能，而不使用它的轉發功能，pilot通過在kubernetes里面注冊一個controller來監聽事件，從而獲取Service和Kubernetes的Endpoint以及Pod的關系，但是在轉發層面，就不會再使用kube-proxy根據service下發的iptables規則進行轉發了，而是將這些映射關系轉換成為pilot自己的轉發模型，下發到envoy進行轉發，envoy不會使用kube-proxy的那些iptables規則。這樣就把控制面和數據面徹底分離開來，服務之間的相互關系是管理面的事情，不要和真正的轉發綁定在一起，而是繞到pilot后方。

　　Pilot另外一個對外的接口是Rules API，這是給管理員的接口，管理員通過這個接口設定一些規則，這些規則往往是應用于Routes, Clusters, Endpoints的，而都有哪些Clusters和Endpoints，是由Platform Adapter這面通過服務發現得到的。

　　自動發現的這些Clusters和Endpoints，外加管理員設置的規則，形成了Pilot的數據模型，其實就是他自己定義的一系列數據結構，然后通過envoy API暴露出去，等待envoy去拉取這些規則。

　　常見的一種人工規則是Routes，通過服務發現，Pilot可以從Kubernetes那里知道Service B有兩個版本，一般是兩個Deployment，屬于同一個Service，管理員通過調用Pilot的Rules API，來設置兩個版本之間的Route規則，一個占99%的流量，一個占1%的流量，這兩方面信息形成Pilot的數據結構模型，然后通過Envoy API下發，Envoy就會根據這個規則設置轉發策略了。

　　另一個常用的場景就是負載均衡，Pilot通過Kubernetes的Service發現Service B包含一個Deployment，但是有三個副本，于是通過Envoy API下發規則，使得Envoy在這三個副本之間進行負載均衡，而非通過Kubernetes本身Service的負載均衡機制。

　　三、以Istio為例解析Service Mesh的技術細節

　　了解了Service Mesh的大概原理，接下來我們通過一個例子來解析其中的技術細節。

　　凡是試驗過Istio的同學都應該嘗試過下面這個BookInfo的例子，不很復雜，但是麻雀雖小五臟俱全。

　　在這個例子中，我們重點關注ProductPage這個服務，對Reviews服務的調用，這里涉及到路由策略和負載均衡。

　　Productpage就是個Python程序

　　productpage是一個簡單的用python寫的提供restful API的程序。

　　在里面定義了很多的route，來接收API請求，并做相應的操作。

　　在需要請求其他服務，例如reviews, ratings的時候，則需要向后方發起restful調用。

　　從代碼可以看出，productpage對于后端的調用，都是通過域名來的。

　　對于productpage這個程序來講，他覺得很簡單，通過這個域名就可以調用了，既不需要通過服務發現系統獲取這個域名，也不需要關心轉發，更意識不到自己是部署在kubernetes上的，是否用了service mesh，所以服務之間的通信完全交給了基礎設施層。

　　通過Kubernetes編排productpage

　　有了productpage程序，接下來就是將他部署到kubernetes上，這里沒有什么特殊的，用的就是kubernetes默認的編排文件。

　　首先定義了一個Deployment，使用bookinfo的容器鏡像，然后定義一個Service，用于這個Deployment的服務發現。

　　通過Kubernetes編排reviews

　　這個稍微有些復雜，定義了三個Deployment，但是版本號分別為V1, V2, V3，但是label都是app: reviews。

　　最后定義了一個Service，對應的label是app: reviews，作為這三個Deployment的服務發現。

　　istioctl對productpage進行定制化之一：嵌入proxy_init作為InitContainer到目前為止，一切正常，接下來就是見證奇跡的時刻，也即istio有個工具istioctl可以對于yaml文件進行定制化

　　定制化的第一項就是添加了一個initContainer，這種類型的container可以做一些初始化的工作后，成功退出，kubernetes不會保持他長期運行。

　　在這個InitContainer里面做什么事情呢?

　　我們登錄進去發現，在這個InitContainer里面運行了一個shell腳本。

　　就是這個shell腳本在容器里面寫入了大量的iptables規則。

　　首先定義的一條規則是ISTIO_REDIRECT轉發鏈，這條鏈不分三七二十一，都將網絡包轉發給envoy的15000端口。

　　但是一開始這條鏈沒有被掛到iptables默認的幾條鏈中，所以不起作用。

　　接下來就是在PREROUTING規則中，使用這個轉發鏈，從而進入容器的所有流量，都被先轉發到envoy的15000端口。

　　envoy作為一個代理，已經被配置好了，將請求轉發給productpage程序。

　　productpage程序接受到請求，會轉向調用外部的reviews或者ratings，從上面的分析我們知道，productpage只是做普通的域名調用。

　　當productpage往后端進行調用的時候，就碰到了output鏈，這個鏈會使用轉發鏈，將所有出容器的請求都轉發到envoy的15000端口。

　　這樣無論是入口的流量，還是出口的流量，全部用envoy做成了漢堡包。

　　envoy根據服務發現的配置，知道reviews或者ratings如何訪問，于是做最終的對外調用。

　　這個時候iptables規則會對從envoy出去的流量做一個特殊處理，允許他發出去，不再使用上面的output規則。

　　istioctl對productpage進行定制化之二：嵌入proxy容器作為sidecar

　　istioctl做的第二項定制化是，嵌入proxy容器作為sidecar。

　　這個似乎看起來更加復雜，但是進入容器我們可以看到，啟動了兩個進程。

　　一個是我們熟悉的envoy，他有一個配置文件是/etc/istio/proxy/envoy-rev0.json

　　我們再前面講述envoy的時候說過，有了配置文件，envoy就能夠轉發了，我們先來看看配置文件里面都有啥。

　　在這里面配置了envoy的管理端口，等一下我們會通過這個端口查看envoy被pilot下發了哪些轉發策略。

　　然后就是動態資源，也即從各種discovery service去拿轉發策略。

　　還有就是靜態資源，也即靜態配置的，需要重啟才能加載的。

　　這就是pilot-agent的作用，他是envoy的一個簡單的管理器，因為有些靜態資源，如果TLS的證書，envoy還不支持動態下發，因而需要重新靜態配置，然后pilot-agent負責將envoy進行熱重啟加載。

　　好在envoy有良好的熱重啟機制，重啟的時候，會先啟動一個備用進程，將轉發的統計數據通過shared memory在兩個進程間共享。

　　深入解析pilot的工作機制

　　Pilot的工作機制展開后如圖所示。

　　istio config是管理員通過管理接口下發的轉發規則。

　　Service Discovery模塊對于Kubernetes來講，就是創建了一個controller來監聽Service創建和刪除的事件，當service有變化時，會通知pilot，pilot會根據變化更新下發給envoy的規則。

　　pilot將管理員輸入的轉發策略配置和服務發現的當前狀態，變成pilot自己的數據結構模型，然后暴露成envoy的api，由于是envoy來調用，因而要實現一個服務端，這里有lds, rds, cds, eds。

　　接下來我們看，在pilot上配置route之后會發生什么?

　　如圖，我們將所有的流量都發給版本1。

　　我們查看envoy的管理端口，可以看到只配置了reviews的v1。

　　當我們修改路由為v1和v3比例是五十比五十。

　　可以看到envoy的管理端口，路由有了兩個版本的配置，也對應后端的兩個ip地址。