后Kubernetes時(shí)代的微服務(wù)
聽說(shuō)過(guò)服務(wù)網(wǎng)格并試用過(guò)Istio的人可能都會(huì)有以下5個(gè)疑問(wèn)。
（1）為什么Istio 要綁定Kubernetes呢？
（2）Kubernetes和服務(wù)網(wǎng)格分別在云原生中扮演什么角色？
（3）Istio擴(kuò)展了Kubernetes的哪些方面？解決了哪些問(wèn)題？
（4）Kubernetes、xDS協(xié)議（Envoy、MOSN等）與Istio之間是什么關(guān)系？
（5）到底該不該使用Service Mesh？
本文將帶讀者梳理清楚 Kubernetes、xDS協(xié)議與Istio服務(wù)網(wǎng)格之間的內(nèi)在聯(lián)系。此外，本文還將介紹Kubernetes中的負(fù)載均衡方式，xDS協(xié)議對(duì)于服務(wù)網(wǎng)格的意義，以及為什么說(shuō)即使有了Kubernetes還需要Istio。
使用服務(wù)網(wǎng)格并非與Kubernetes決裂，而是水到渠成的事情。Kubernetes的本質(zhì)是通過(guò)聲明配置對(duì)應(yīng)用進(jìn)行生命周期管理，而服務(wù)網(wǎng)格的本質(zhì)是提供應(yīng)用間的流量和安全性管理，以及可觀察性。假如已經(jīng)使用Kubernetes構(gòu)建了穩(wěn)定的微服務(wù)平臺(tái)，那么如何設(shè)置服務(wù)間調(diào)用的負(fù)載均衡和流量控制？
Envoy創(chuàng)造的xDS協(xié)議被眾多開源軟件所支持，如Istio、Linkerd、MOSN等。Envoy對(duì)服務(wù)網(wǎng)格或云原生而言最大的貢獻(xiàn)就是定義了xDS。Envoy本質(zhì)上是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)代理，是通過(guò)API配置的現(xiàn)代版代理，基于它衍生出了很多不同的使用場(chǎng)景，如API 網(wǎng)關(guān)、服務(wù)網(wǎng)格中的Sidecar 代理和邊緣代理。
如果想要提前了解下文的所有內(nèi)容，則可以先閱讀下面列出的一些主要觀點(diǎn)。
Kubernetes的本質(zhì)是應(yīng)用的生命周期管理，具體來(lái)說(shuō)，就是應(yīng)用的部署和管理（擴(kuò)縮容、自動(dòng)恢復(fù)、發(fā)布）。
Kubernetes為微服務(wù)提供了可擴(kuò)展、高彈性的部署和管理平臺(tái)。
服務(wù)網(wǎng)格的基礎(chǔ)是透明代理，先通過(guò)Sidecar 代理攔截到微服務(wù)間流量，再通過(guò)控制平面配置管理微服務(wù)的行為。
服務(wù)網(wǎng)格將流量管理從Kubernetes中解耦，服務(wù)網(wǎng)格內(nèi)部的流量無(wú)須kube-proxy組件的支持，通過(guò)接近微服務(wù)應(yīng)用層的抽象，管理服務(wù)間的流量，實(shí)現(xiàn)安全性和可觀察性功能。
xDS定義了服務(wù)網(wǎng)格配置的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。
服務(wù)網(wǎng)格是對(duì)Kubernetes中的service更上層的抽象，它的下一步是serverless。
圖1所示為Kubernetes原生與Service Mesh的服務(wù)訪問(wèn)關(guān)系（每個(gè)Pod中部署一個(gè)Sidecar的模式）。
圖1
▊ 流量轉(zhuǎn)發(fā)
Kubernetes集群的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都部署了一個(gè)kube-proxy組件，該組件會(huì)先與Kubernetes API Server通信，獲取集群中的service信息，再設(shè)置iptables規(guī)則，直接將對(duì)某個(gè)service的請(qǐng)求發(fā)送到對(duì)應(yīng)的Endpoint（屬于同一組service的Pod）上。
▊ 服務(wù)發(fā)現(xiàn)
Istio服務(wù)網(wǎng)格不僅可以沿用Kubernetes中的service做服務(wù)注冊(cè)，還可以通過(guò)控制平面的平臺(tái)適配器對(duì)接其他服務(wù)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)，生成數(shù)據(jù)平面的配置（使用CRD聲明，保存在etcd中）。數(shù)據(jù)平面的透明代理（Transparent Proxy）以Sidecar容器的形式部署在每個(gè)應(yīng)用服務(wù)的Pod中，這些Proxy都需要請(qǐng)求控制平面同步代理配置。之所以說(shuō)是透明代理，是因?yàn)閼?yīng)用程序容器完全沒(méi)有感知代理的存在，在該過(guò)程中kube-proxy組件一樣需要攔截流量，只不過(guò)kube-proxy組件攔截的是進(jìn)出Kubernetes節(jié)點(diǎn)的流量，而Sidecar Proxy攔截的是進(jìn)出該P(yáng)od的流量。圖2所示為Istio中的服務(wù)發(fā)現(xiàn)機(jī)制。
圖2
▊ 服務(wù)網(wǎng)格的劣勢(shì)
由于Kubernetes的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)運(yùn)行眾多的Pod，因此將原先kube-proxy方式的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能置于每個(gè)Pod中，會(huì)導(dǎo)致大量的配置分發(fā)、同步和最終一致性問(wèn)題。為了細(xì)粒度地進(jìn)行流量管理，必須添加一系列新的抽象，從而導(dǎo)致用戶的學(xué)習(xí)成本進(jìn)一步增加，但隨著技術(shù)的普及，該情況會(huì)慢慢得到緩解。
▊ 服務(wù)網(wǎng)格的優(yōu)勢(shì)
kube-proxy的設(shè)置都是全局生效的，無(wú)法對(duì)每個(gè)服務(wù)做細(xì)粒度的控制，而服務(wù)網(wǎng)格通過(guò)Sidecar Proxy的方式將Kubernetes中對(duì)流量的控制從service一層抽離出來(lái)，做更多的擴(kuò)展。
在Kubernetes集群中，每個(gè)Node運(yùn)行一個(gè)kube-proxy進(jìn)程。kube-proxy負(fù)責(zé)為service實(shí)現(xiàn)一種VIP（虛擬IP地址）的形式。
在Kubernetes v1.0版本中，代理完全在userspace代理模式中實(shí)現(xiàn)。
在Kubernetes v1.1版本中，新增了iptables代理模式，但不是默認(rèn)的運(yùn)行模式。從Kubernetes v1.2版本起，默認(rèn)使用iptables代理模式。在Kubernetes v1.8.0-beta.0版本中，添加了IPVS代理模式。
kube-proxy的缺陷
首先，如果轉(zhuǎn)發(fā)的Pod不能正常提供服務(wù)，那么它不會(huì)自動(dòng)嘗試另一個(gè)Pod，不過(guò)這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)liveness probes解決。每個(gè)Pod都有一個(gè)健康檢查機(jī)制，當(dāng)Pod健康狀況有問(wèn)題時(shí)，kube-proxy會(huì)刪除對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則。另外，nodePort類型的服務(wù)也無(wú)法添加TLS，或者更復(fù)雜的報(bào)文路由機(jī)制。
kube-proxy實(shí)現(xiàn)了流量在Kubernetes 服務(wù)中多個(gè)Pod實(shí)例間的負(fù)載均衡，但是如何對(duì)這些服務(wù)間的流量做細(xì)粒度的控制，比如，將流量按照百分比劃分到不同的應(yīng)用版本（這些應(yīng)用版本都屬于同一個(gè)服務(wù)的一部分，但位于不同的部署上），做金絲雀發(fā)布（灰度發(fā)布）和藍(lán)綠發(fā)布？Kubernetes社區(qū)給出了使用Deployment做金絲雀發(fā)布的方法，該方法本質(zhì)上就是通過(guò)修改Pod的label將不同的Pod 劃歸到Deployment的service上。
kube-proxy只能路由Kubernetes集群內(nèi)部的流量，而Kubernetes集群的Pod位于CNI創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)中，集群外部是無(wú)法直接與其通信的，因此在Kubernetes中創(chuàng)建了Ingress這個(gè)資源對(duì)象，并由位于Kubernetes邊緣節(jié)點(diǎn)（這樣的節(jié)點(diǎn)可以有很多個(gè)，也可以有一組）的Ingress Controller驅(qū)動(dòng)，負(fù)責(zé)管理南北向流量。
Ingress必須對(duì)接各種Ingress Controller才能使用，比如，Nginx Ingress Controller、Traefik。Ingress只適用于HTTP流量，使用方式也很簡(jiǎn)單，但只能對(duì)service、Port、HTTP路徑等有限字段匹配路由流量，這導(dǎo)致它無(wú)法路由如MySQL、Redis和各種私有RPC等TCP流量。
要想直接路由南北向的流量，只能使用service的LoadBalancer或NodePort，前者需要云廠商支持，后者需要進(jìn)行額外的端口管理。
有些Ingress Controller支持暴露TCP和UDP服務(wù)，但是只能使用service來(lái)暴露，Ingress本身是不支持的，例如，Nginx Ingress Controller，服務(wù)暴露的端口是通過(guò)創(chuàng)建 ConfigMap的方式配置的。
Istio Gateway的功能與Kubernetes Ingress的功能類似，都是負(fù)責(zé)管理集群的南北向流量。
Istio Gateway可被看作網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡器，用于承載進(jìn)出網(wǎng)格邊緣的連接。
Istio Gateway規(guī)范描述了一系列開放端口和這些端口所使用的協(xié)議、負(fù)載均衡的SNI配置等內(nèi)容。
Istio 中的Gateway資源是一種CRD擴(kuò)展，它同時(shí)復(fù)用了Sidecar 代理功能，詳細(xì)配置請(qǐng)參考Istio官方網(wǎng)站。
圖3所示為Service Mesh的控制平面，讀者在了解服務(wù)網(wǎng)格時(shí)可能看到過(guò)，每個(gè)方塊代表一個(gè)服務(wù)的實(shí)例，例如，Kubernetes中的一個(gè)Pod（其中包含了Sidecar 代理）。xDS協(xié)議控制了Istio服務(wù)網(wǎng)格中所有流量的具體行為，即將圖1-3中的方塊鏈接到了一起。
圖3
xDS協(xié)議是由Envoy提出的，在Envoy v2版本的API中最原始的xDS協(xié)議指的是CDS（Cluster Discovery Service）、EDS（Endpoint Discovery Service）、LDS（Listener Discovery Service）和RDS（Route Discovery Service），后來(lái)在Envoy v3版本中xDS協(xié)議又發(fā)展出了Scoped Route Discovery Service（SRDS）、Virtual Host Discovery Service（VHDS）、Secret Discovery Service（SDS）、Runtime Discovery Service（RTDS）。
下面通過(guò)兩個(gè)服務(wù)的通信了解xDS協(xié)議，如圖4所示。
圖4
圖4中的箭頭不是流量進(jìn)入Proxy后的路徑或路由，也不是實(shí)際順序，而是虛擬的一種xDS接口處理順序。其實(shí)在各個(gè)xDS協(xié)議之間也是有交叉引用的。
支持xDS協(xié)議的代理可以通過(guò)查詢文件或管理服務(wù)器動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)資源。概括地講，這些發(fā)現(xiàn)服務(wù)及其相應(yīng)的API被稱作xDS。Envoy通過(guò)訂閱（Subscription）方式獲取資源，訂閱方式有以下3種。
文件訂閱：監(jiān)控指定路徑下的文件。發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)資源的最簡(jiǎn)單方式就是將其保存于文件中，并將路徑配置在configSource中的path參數(shù)中。
gRPC流式訂閱：每個(gè)xDS API可以單獨(dú)配置ApiConfigSource，指向?qū)?yīng)的上游管理服務(wù)器的集群地址。
輪詢REST-JSON輪詢訂閱：單個(gè)xDS API可以對(duì)REST端點(diǎn)進(jìn)行同步（長(zhǎng)）輪詢。
Istio使用gRPC流式訂閱的方式配置所有的數(shù)據(jù)平面的Sidecar Proxy。下面總結(jié)關(guān)于xDS協(xié)議的要點(diǎn)。
CDS、EDS、LDS、RDS是最基礎(chǔ)的xDS協(xié)議，都可以獨(dú)立更新。
所有的發(fā)現(xiàn)服務(wù)（Discovery Service）可以連接不同的管理服務(wù)，也就是說(shuō)管理xDS的服務(wù)器可以有多個(gè)。
Envoy在原始xDS協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列擴(kuò)充，增加了SDS（密鑰發(fā)現(xiàn)服務(wù)）、ADS（聚合發(fā)現(xiàn)服務(wù)）、HDS（健康發(fā)現(xiàn)服務(wù)）、MS（Metric服務(wù)）、RLS（速率限制服務(wù)）等API。
為了保證數(shù)據(jù)一致性，若直接使用xDS原始API，則需要保證按照CDS → EDS → LDS → RDS的順序更新。這是遵循電子工程中的先合后斷（Make-Before-Break）原則的，即在斷開原來(lái)的連接之前先建立好新的連接，應(yīng)用在路由里就是為了防止在設(shè)置了新的路由規(guī)則時(shí)無(wú)法發(fā)現(xiàn)上游集群而導(dǎo)致流量被丟棄的情況，類似于電路里的斷路。
CDS用于設(shè)置服務(wù)網(wǎng)格中有哪些服務(wù)。
EDS用于設(shè)置哪些實(shí)例（Endpoint）屬于這些服務(wù)（Cluster）。
LDS用于設(shè)置實(shí)例上監(jiān)聽的端口以配置路由。
RDS是最終服務(wù)間的路由關(guān)系，應(yīng)該保證最后更新RDS。
Envoy是Istio服務(wù)網(wǎng)格中默認(rèn)的Sidecar，Istio在Envoy的基礎(chǔ)上按照 Envoy的xDS協(xié)議擴(kuò)展了其控制平面。在講解Envoy xDS協(xié)議之前還需要先熟悉下Envoy的基本術(shù)語(yǔ)。下面列舉了Envoy中的基本術(shù)語(yǔ)及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)解析。
Downstream（下游）：下游主機(jī)連接到Envoy，發(fā)送請(qǐng)求并接收響應(yīng)，即發(fā)送請(qǐng)求的主機(jī)。
Upstream（上游）：上游主機(jī)接收來(lái)自Envoy的連接和請(qǐng)求，并返回響應(yīng)，即接收請(qǐng)求的主機(jī)。
Listener（監(jiān)聽器）：監(jiān)聽器是命名網(wǎng)地址（例如，端口、UNIX Domain Socket等)，下游客戶端可以連接這些監(jiān)聽器。Envoy暴露一個(gè)或多個(gè)監(jiān)聽器給下游主機(jī)連接。
Cluster（集群）：集群是指Envoy連接的一組邏輯相同的上游主機(jī)。Envoy通過(guò)服務(wù)發(fā)現(xiàn)來(lái)發(fā)現(xiàn)集群的成員，并且可以通過(guò)主動(dòng)健康檢查確定集群成員的健康狀態(tài)。Envoy通過(guò)負(fù)載均衡策略決定將請(qǐng)求路由到集群的哪個(gè)成員。
Envoy中可以設(shè)置多個(gè)Listener，每個(gè)Listener中又可以設(shè)置filterchain（過(guò)濾器鏈表），而且過(guò)濾器是可擴(kuò)展的，這樣就可以更方便地操作流量了，例如，設(shè)置加密、私有RPC等。
xDS協(xié)議是由Envoy提出的，目前是Istio中默認(rèn)的Sidecar 代理。但是，只要實(shí)現(xiàn)了xDS協(xié)議，理論上就可以作為Istio中的Sidecar 代理，例如，螞蟻集團(tuán)開源的MOSN。
Istio是一個(gè)功能十分豐富的Service Mesh實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品，包括如下功能。
流量管理：這是Istio最基本的功能。
策略控制：通過(guò)Mixer組件和各種適配器可以實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)控制系統(tǒng)、遙測(cè)捕獲、配額管理和計(jì)費(fèi)等策略控制。
可觀測(cè)性：通過(guò)Mixer實(shí)現(xiàn)。
安全認(rèn)證：通過(guò)Citadel組件做密鑰和證書管理。
Istio中定義了如下的CRD來(lái)幫助用戶進(jìn)行流量管理。
Gateway：描述了在網(wǎng)絡(luò)邊緣運(yùn)行的負(fù)載均衡器，用于接收傳入或傳出的HTTP / TCP連接。
VirtualService：實(shí)際上可以將Kubernetes服務(wù)連接到Istio Gateway上，并且可以執(zhí)行更多操作，例如，定義一組流量路由規(guī)則，以便在主機(jī)被尋址時(shí)應(yīng)用。
DestinationRule：決定了經(jīng)過(guò)路由處理之后的流量的訪問(wèn)策略。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是定義流量如何路由。這些策略中可以定義負(fù)載均衡配置、連接池尺寸及外部檢測(cè)（用于在負(fù)載均衡池中對(duì)不健康主機(jī)進(jìn)行識(shí)別和驅(qū)逐）配置。
EnvoyFilter：描述了針對(duì)代理服務(wù)的過(guò)濾器，這些過(guò)濾器可以定制由Istio Pilot生成的代理配置。初級(jí)用戶一般很少用到這個(gè)配置。
ServiceEntry：在默認(rèn)情況下，Istio服務(wù)網(wǎng)格中的服務(wù)是無(wú)法發(fā)現(xiàn)Mesh以外的服務(wù)的。ServiceEntry能夠在Istio內(nèi)部的服務(wù)注冊(cè)表中加入額外的條目，從而讓服務(wù)網(wǎng)格中的服務(wù)能夠訪問(wèn)和路由到這些被手動(dòng)加入的服務(wù)。
通過(guò)前面的介紹，讀者已經(jīng)對(duì)Service Mesh已經(jīng)有了初步的認(rèn)識(shí)。Istio作為一個(gè)開源的Service Mesh實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品，一經(jīng)推出就備受矚目，成為各大廠商和開發(fā)者爭(zhēng)相追捧的對(duì)象。因此，Istio很有可能會(huì)成為繼Kubernetes之后的又一個(gè)明星級(jí)產(chǎn)品。
Istio官方文檔是這樣定義的：
“它是一個(gè)完全開源的服務(wù)網(wǎng)格，以透明的方式構(gòu)建在現(xiàn)有的分布式應(yīng)用中。它也是一個(gè)平臺(tái)，擁有可以集成任何日志、遙測(cè)和策略系統(tǒng)的API接口。Istio多樣化的特性使你能夠成功且高效地運(yùn)行分布式微服務(wù)架構(gòu)，并提供保護(hù)、連接和監(jiān)控微服務(wù)的統(tǒng)一方法?！?/span>
從官方定義可以看出，Istio提供了一種完整的解決方案，可以使用統(tǒng)一的方式管理和監(jiān)測(cè)微服務(wù)應(yīng)用。
同時(shí)，它具有管理流量、實(shí)施訪問(wèn)策略、收集數(shù)據(jù)等方面的功能，而且所有的這些都對(duì)應(yīng)用透明，幾乎不需要修改業(yè)務(wù)代碼就能實(shí)現(xiàn)。
有了Istio，用戶幾乎可以不再使用其他的微服務(wù)框架，也不需要自己去實(shí)現(xiàn)服務(wù)治理等功能。只要把網(wǎng)絡(luò)層委托給Istio，它就能幫用戶完成這一系列的功能。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，Istio就是一個(gè)提供了服務(wù)治理功能的服務(wù)網(wǎng)格。
Service Mesh是一種服務(wù)治理技術(shù)，其核心功能是對(duì)流量進(jìn)行控制。
從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，Service Mesh和現(xiàn)有的服務(wù)治理產(chǎn)品在功能上是有重合的。如果一個(gè)企業(yè)使用的微服務(wù)應(yīng)用已經(jīng)具有了非常完善的服務(wù)治理功能，則不一定非得引入Service Mesh。
但是，如果企業(yè)使用的系統(tǒng)不具有完善的治理功能，或者系統(tǒng)架構(gòu)中的痛點(diǎn)正好可以被Service Mesh解決，則Service Mesh是最佳選擇。
相對(duì)于基于公共庫(kù)的服務(wù)治理產(chǎn)品，Service Mesh最大的特性就是對(duì)應(yīng)用透明。用戶不僅可以將自己的微服務(wù)應(yīng)用無(wú)縫地接入網(wǎng)格，而且無(wú)須修改業(yè)務(wù)邏輯。目前Istio提供了以下4個(gè)重要的功能。
為HTTP、gRPC、WebSocket和TCP流量自動(dòng)負(fù)載均衡。
通過(guò)豐富的路由規(guī)則、重試、故障轉(zhuǎn)移和故障注入對(duì)流量行為進(jìn)行細(xì)粒度控制。
提供完善的可觀察性方面的功能，包括對(duì)所有網(wǎng)格控制下的流量進(jìn)行自動(dòng)化度量、日志記錄和追蹤。
提供身份認(rèn)證和授權(quán)策略，在集群中實(shí)現(xiàn)安全的服務(wù)間通信。
Istio獨(dú)立于平臺(tái)，被設(shè)計(jì)為可以在各種環(huán)境中運(yùn)行，包括跨云、內(nèi)部環(huán)境、Kubernetes等。目前Istio支持的平臺(tái)有：
（1）部署在Kubernetes集群的服務(wù)。
（2）在Consul中注冊(cè)的服務(wù)。
（3）在獨(dú)立的虛擬機(jī)中運(yùn)行的服務(wù)。
本文節(jié)選自《深入理解Istio：云原生服務(wù)網(wǎng)格進(jìn)階實(shí)戰(zhàn)》一書，歡迎閱讀此書了解更多相關(guān)內(nèi)容！
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