深入解讀Service Mesh 背後的技術細節

【本文轉自微信公眾號：劉超的通俗雲端計算】
在Kubernetes稱為容器編排的標準之後，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背後的技術細節。

　　一、Service Mesh是Kubernetes支撐微服務能力拼圖的最後一塊

　　在上一篇文章為什麼 kubernetes 天然適合微服務中我們提到，Kubernetes是一個奇葩所在，他的元件複雜，概念複雜，在沒有實施微服務之前，你可能會覺得為什麼Kubernetes要設計的這麼複雜，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都能夠有相應的元件和概念，提供相應的支援。

　　其中最後的一塊拼圖就是服務發現，與熔斷限流降級。

　　眾所周知，Kubernetes的服務發現是透過Service來實現的，服務之間的轉發是透過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，不能滿足高併發應用下的高階的服務特性，比較SpringCloud和Dubbo有一定的差距，於是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資料面，因而分析他，也是從資料面先分析轉發的能力，然後再分析控制面如何下發命令。今天這篇文章重點講述兩個元件Envoy和Pilot

　　一切從Envoy開始

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

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

　　規則可以是靜態的，放在配置檔案中的，啟動的時候載入，要想重新載入，一般需要重新啟動，但是Envoy支援熱載入和熱重啟，一定程度上緩解了這個問題。

　　當然最好的方式是規則設定為動態的，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，過一段時間去這裡拿一下配置，就修改了轉發策略。

　　無論是靜態的，還是動態的，在配置裡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，就得監聽一個埠，接入請求，然後才能夠根據策略轉發，這個監聽的埠稱為listener

　　二是endpoint，是目標的ip地址和埠，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執行，就會有三個IP和埠，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，可以透過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介面，route配置為某個url的字首轉發到哪個cluster，cluster裡面配置負載均衡策略，hosts裡面是所有的endpoint。

　　如果你想簡單的將envoy使用起來，不用什麼service mesh，一個程式，加上這個配置檔案，就可以了，就能夠轉發請求了。

　　對於動態配置，也應該配置發現中心，也即Discovery Service，對於上述四種配置，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

　　資料面envoy可以透過加裝靜態配置檔案的方式執行，而動態資訊，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呼叫Envoy，而是Envoy去主動呼叫Pilot的這個API。

　　Pilot最上面一層稱為Platform Adapter，這一層是幹什麼的呢?這一層不是Kubernetes, Mesos呼叫Pilot，而是Pilot透過呼叫Kubernetes來發現服務之間的關係。

　　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透過在kubernetes裡面註冊一個controller來監聽事件，從而獲取Service和Kubernetes的Endpoint以及Pod的關係，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，而是將這些對映關係轉換成為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。這樣就把控制面和資料面徹底分離開來，服務之間的相互關係是管理面的事情，不要和真正的轉發繫結在一起，而是繞到pilot後方。

　　Pilot另外一個對外的介面是Rules API，這是給管理員的介面，管理員透過這個介面設定一些規則，這些規則往往是應用於Routes, Clusters, Endpoints的，而都有哪些Clusters和Endpoints，是由Platform Adapter這面透過服務發現得到的。

　　自動發現的這些Clusters和Endpoints，外加管理員設定的規則，形成了Pilot的資料模型，其實就是他自己定義的一系列資料結構，然後透過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，透過服務發現，Pilot可以從Kubernetes那裡知道Service B有兩個版本，一般是兩個Deployment，屬於同一個Service，管理員透過呼叫Pilot的Rules API，來設定兩個版本之間的Route規則，一個佔99%的流量，一個佔1%的流量，這兩方面資訊形成Pilot的資料結構模型，然後透過Envoy API下發，Envoy就會根據這個規則設定轉發策略了。

　　另一個常用的場景就是負載均衡，Pilot透過Kubernetes的Service發現Service B包含一個Deployment，但是有三個副本，於是透過Envoy API下發規則，使得Envoy在這三個副本之間進行負載均衡，而非透過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

　　瞭解了Service Mesh的大概原理，接下來我們透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，不很複雜，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服務的呼叫，這裡涉及到路由策略和負載均衡。

　　Productpage就是個Python程式

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

　　在裡面定義了很多的route，來接收API請求，並做相應的操作。

　　在需要請求其他服務，例如reviews, ratings的時候，則需要向後方發起restful呼叫。

　　從程式碼可以看出，productpage對於後端的呼叫，都是透過域名來的。

　　對於productpage這個程式來講，他覺得很簡單，透過這個域名就可以呼叫了，既不需要透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，所以服務之間的通訊完全交給了基礎設施層。

　　透過Kubernetes編排productpage

　　有了productpage程式，接下來就是將他部署到kubernetes上，這裡沒有什麼特殊的，用的就是kubernetes預設的編排檔案。

　　首先定義了一個Deployment，使用bookinfo的容器映象，然後定義一個Service，用於這個Deployment的服務發現。

　　透過Kubernetes編排reviews

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

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

　　istioctl對productpage進行定製化之一：嵌入proxy_init作為InitContainer到目前為止，一切正常，接下來就是見證奇蹟的時刻，也即istio有個工具istioctl可以對於yaml檔案進行定製化

　　定製化的第一項就是新增了一個initContainer，這種型別的container可以做一些初始化的工作後，成功退出，kubernetes不會保持他長期執行。

　　在這個InitContainer裡面做什麼事情呢?

　　我們登入進去發現，在這個InitContainer裡面執行了一個shell指令碼。

　　就是這個shell指令碼在容器裡面寫入了大量的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，都將網路包轉發給envoy的15000埠。

　　但是一開始這條鏈沒有被掛到iptables預設的幾條鏈中，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埠。

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

　　productpage程式接受到請求，會轉向呼叫外部的reviews或者ratings，從上面的分析我們知道，productpage只是做普通的域名呼叫。

　　當productpage往後端進行呼叫的時候，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埠。

　　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，於是做最終的對外呼叫。

　　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進行定製化之二：嵌入proxy容器作為sidecar

　　istioctl做的第二項定製化是，嵌入proxy容器作為sidecar。

　　這個似乎看起來更加複雜，但是進入容器我們可以看到，啟動了兩個程式。

　　一個是我們熟悉的envoy，他有一個配置檔案是/etc/istio/proxy/envoy-rev0.json

　　我們再前面講述envoy的時候說過，有了配置檔案，envoy就能夠轉發了，我們先來看看配置檔案裡面都有啥。

　　在這裡面配置了envoy的管理埠，等一下我們會透過這個埠檢視envoy被pilot下發了哪些轉發策略。

　　然後就是動態資源，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，需要重啟才能載入的。

　　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的證照，envoy還不支援動態下發，因而需要重新靜態配置，然後pilot-agent負責將envoy進行熱重啟載入。

　　好在envoy有良好的熱重啟機制，重啟的時候，會先啟動一個備用程式，將轉發的統計資料透過shared memory在兩個程式間共享。

　　深入解析pilot的工作機制

　　Pilot的工作機制展開後如圖所示。

　　istio config是管理員透過管理介面下發的轉發規則。

　　Service Discovery模組對於Kubernetes來講，就是建立了一個controller來監聽Service建立和刪除的事件，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自己的資料結構模型，然後暴露成envoy的api，由於是envoy來呼叫，因而要實現一個服務端，這裡有lds, rds, cds, eds。

　　接下來我們看，在pilot上配置route之後會發生什麼?

　　如圖，我們將所有的流量都發給版本1。

　　我們檢視envoy的管理埠，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的管理埠，路由有了兩個版本的配置，也對應後端的兩個ip地址。