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本文轉載自微信公眾號「無敵碼農」，作者無敵碼農。轉載本文請聯系無敵碼農眾號。

在之前關于Service Mesh(服務網格)的系列文章中，我們從實戰的角度分享了一些關于Istio的入門安裝、服務發現、熔斷限流及流量管理(灰度發布)等細節方面的內容(可參考文末推薦閱讀)。

今天的文章將從更宏觀的概念和架構入手，來全面介紹Istio這一最著名的服務網格開源解決方案，以求從整體上將Istio實現服務網格的核心原理闡述清楚!

Istio中的關鍵概念

要學習Istio需要先明確以下幾個關鍵術語。

1.容器/容器鏡像

進入到云原生時代(不了解云原生的概念可以參考《什么是云原生?》)的服務網格架構，應用的發布、部署都是圍繞Kubernetes為代表的容器基礎設施展開的。這就需要對容器及容器鏡像的概念有清晰的理解。

實際上，容器的普及要歸功于Docker技術的流行，而從本質上說容器就是運行在操作系統中的，受資源隔離限制的一組進程，也稱為“容器運行時”。它可以將用戶打包的代碼及其所賴的關系完整的還原出來。通過容器化運行的應用程序，可以更快、更可靠地運行，而不受具體計算環境的影響。

容器鏡像，是容器化的重要介質和載體。從形式上來說，它就是一個輕量級的、獨立的、可執行的軟件包文件，包括了運行應用程序所需要的一切：代碼、工具、系統庫及各種設置。

容器技術的出現，徹底顛覆了應用構建、發布及運行的方式，目前已經成為服務端應用發布的事實標準。后續要聊到的Istio服務網格技術，無論是“網格基礎組件”還是“應用程序”，都是以容器的方式運行在Kubernetes容器平臺之上的。

2.微服務

微服務是一種架構風格，它將一個龐大的單體服務拆分為一組松散耦合的微服務集合，該微服務集合提供了與單個單體應用相同的功能。但微服務可以獨立于其他服務進行獨立的開發和部署。此外，微服務是圍繞業務能力組織的，可以由較小的團隊擁有，因此，在開發/部署上能夠實現更小、更獨立的迭代。

目前主要的微服務架構解決方案，以Spring Cloud為代表的微服務架構體系是主流;但隨著云原生技術概念的流行，以Istio為代表的Service Mesh(服務網格)微服務架構方案也在逐步得到推廣。

3.控制平面

在以Spring Cloud為代表的傳統微服務架構中，應用本身與服務治理邏輯是耦合在一起的。而在Service Mesh(服務網格)方案中，服務治理規則的管理、服務治理行為、應用本身都是互相獨立，這就使得應用可以專注于業務，而服務治理邏輯則完全可以抽離出來由運維團隊進行統一的管理。

像這種專門負責服務治理規則管理的邏輯或組件，在Service Mesh(服務網格)架構中就叫做“控制平面“。“控制平面”主要由API和工具組成，用于管理服務治理行為(數據平面)。服務網格運維人員可以操控控制平面，以配置服務網格中的數據平面行為。例如，將流量配置作用于控制平面——翻譯配置并將其推送到數據平面。

4.數據平面

在Service Mesh(服務網格)中，數據平面就是具體實現服務治理行為的代理。在Istio中數據平面由負責路由、負載均衡、服務發現、健康檢查和授權/認證的Envoy代理組成。這些代理在每個服務實例的旁邊運行(在k8s中，與應用容器運行在同一個Pod)，攔截所有傳入和傳出的用戶流量，并在這一過程中根據控制平面下發的服務治理規則進行流量管理。

5.Envoy

在Istio中，數據平面就是由Envoy代理實現的。它是一個現代的、高性能邊緣的小型L7代理。Envoy是為大型現代微服務架構設計的，可以與Nginx和HAProxy等負載均衡器相匹配。

6.代理

在網絡中，代理是一個中間服務器，位于客戶端和服務端之間，可以管理請求和響應。在Istio服務網格情況下，代理(Envoy)運行在每個應用實例的前面。當向應用程序發起請求時，代理(Envoy)會攔截該請求，并將其轉發給應用程序實例。同樣地，當應用程序實例試圖發出請求時，代理(Envoy)也會攔截出站請求并將其發送到目的地。

由于代理(Envoy)攔截了所有請求，所以它可以修改請求，從而實現流量路由、故障注入、授權等功能。

7.L7代理

L7(第7層)代理在OSI模型的應用層工作。在這一層，代理可以處理每個請求的內容。例如Http就是一個流行的L7協議。因為可以訪問請求的數據，所以L7代理(Envoy)就可以根據請求的內容(URL、Cookies等)做出負載均衡的決定。

Istio的架構及模塊組成

Service Mesh(服務網格)的架構方式為我們提供了一種統一的方式來連接、保護和觀察微服務。網格內的代理(如Envoy)可以捕獲網格內所有的通信請求和指標——每一次失敗或成功的調用、重試或超時的請求都可以被捕獲，并被可視化和報警。

這種將通信邏輯從業務和應用邏輯中分離出來的架構方式，可以使開發人員專注于業務邏輯，而服務網格運維人員則專注于服務網格配置。

前面通過對幾個關鍵術語的解釋，以及對服務網格架構好處的介紹，相信大家或多或少理解了什么是服務網格。接下來將重點介紹Istio這一開源的服務網格實現。

從宏觀上看，Istio主要支持以下功能：

1.流量管理

流量管理是Istio最核心的功能，通過配置，可以控制服務之間的流量——例如設置斷路器、超時或重試等服務治理機制，在Istio中都可以通過簡單的配置改變來完成。

2.可觀察性

Istio可以通過跟蹤、監控和記錄服務間的請求來更好地實現對服務的監控，方便我們了解服務運行情況，并及時發現和修復問題。

3.安全性

Istio可以在代理層面來管理認證、授權和通訊的加密，而無需對應用本身造成侵入。而這些安全配置操作只需要通過快速的配置變更即可完成。

接下來，我們看下Istio的架構組成。如下圖所示：

如上圖所示，Istio實現服務網格，仍然遵循了將組件分離成“控制平面”和“數據平面”這一常見的分布式系統構建模式。

Istio中的數據平面由Envoy代理組成，控制服務之間的通信。Envoy是一個用C++開發的高性能代理。Istio將Enovy代理作為一個sidecar容器注入到應用容器的旁邊，然后攔截該服務的所有入站和出站流量。而這些注入應用容器旁邊的Enovy代理組合在一起就構成了Istio服務網格的數據平面。

Istiod則是Istio的控制平面組件，主要提供服務發現、配置和證書管理等功能。Istiod采用YAML文件格式來編寫流量控制規則，并將其轉換為Envoy的可操作配置，之后通過xDS協議將配置傳播給網格中的所有sidecar代理。

Istiod主要由Pilot、Citadel、Galley這三個組件組成。其中Pilot抽象了特定平臺的服務發現機制(如Kubernetes、Consul或VM)，并將其轉換為可以被sidecar使用的標準格式。Citadel則是Istio的核心安全組件，實現證書授權、證書生成，實現數據平面中sidecar代理之間的mTLS安全通信。

而Galley則主要服務配置管理，包括驗證配置信息的格式和內容正確性，并將這些配置信息提供給Pilot等其他控制平面組件使用。

Istio的流量管理實現 

流量管理是Istio服務網格的核心能力。在《如何在Service Mesh微服務架構中實現金絲雀發布?》這篇文章中，我們通過Istio的流量管理功能，演示了在服務網格中實現灰度發布的具體方法。接下來，將從原理層面來總結下Istio實現流量管理的核心邏輯。

Istio流量管理示意圖如下：

如上圖所示，要在Istio服務網格中實現流量管理，需要通過VirtualService(虛擬服務)及DestinationRule(路由規則)資源來管理流量路由規則。

而具體的路由規則流量的執行由Istio網關資源來實現。其中Ingress Gateway(入口網關)和Egress Gateway(出口網關)是Istio服務網格組件的一部分，這兩個網關都運行著一個Envoy代理實例，它們在服務網格的邊緣作為負載均衡器運行，入口網關接收入站連接，而出口網關則接收從集群出去的連接。

需要注意，這里理解入口網關和出口網關的概念不要狹義的理解為就是Istio服務網格的邊緣入口和出口。對于Istio服務網格來說除了外部流量的進出可以通過VitrualService(虛擬服務)關聯Gateway(網關資源)來實現流量路由外，網格之間也可以通過該方式來實現流量的路由。

所以，在使用Istio服務網格來實現微服務的流量管理時，可以根據場景來分別創建針對外部流量的Gateway+VirtualService資源，以及針對具體微服務網格間流量的Gateway+VirtualService資源，并通過VitrualService隨時修改相應的路由規則。

而對于Gateway網格資源的創建來說，則根據是控制入口流量還是出口流量來選擇關聯Ingress Gateway(入口網關)還是Egress Gateway(出口網關)。

如果上述描述暫時還未能讓你完全理解Istio服務網格的流量管理方式，那么可以根據《如何在Service Mesh微服務架構中實現金絲雀發布?》這篇文章中演示的具體的例子進行體會。

后記 

以上內容就是對Istio服務網格實現流量管理核心邏輯的簡單介紹，也是為了方便大家理解之前文章中的一些操作。雖然目前以Istio服務網格架構還沒有完全替代Spring Cloud微服務體系，但服務網格這種將控制平面和數據平面分離的架構思想，將是未來微服務架構的主流。