1、什么是ServiceMesh？

1.1、從單體到分布式

從后臺服務發展之初，其實一直面臨一個問題，就是如何將多臺服務器組成一個整體提供對外服務。畢竟單體服務功能單一，在發展前期已經滿足各種需求，但是隨著互聯網的發展，服務類型越來越多，也越來越復雜，如果用單體架構思考，就會發現越來越難滿足需求。為了解決這個問題，于是出現了分布式架構，將單體服務拆分成多個子服務，每個子服務負責不同的功能，然后通過網關組合子服務，對外提供服務。看似這樣已經解決了單體服務的問題，但是隨著子服務的增多，網關也會越來越復雜，而且每個子服務都需要單獨維護，服務治理就變得非常復雜。為了解決這里復雜性，因此引入各種架構概念：

• 用遠程調用代替子服務之間的通信，統一管理通訊協議；
• 用服務發現代替子服務的注冊，統一管理服務地址；
• 引入服務治理組件，統一管理子服務；
• 引入旁路負載均衡，統一管理流量管理；...

1.2、微服務架構

分布式架構下將單獨服務拆分成子服務，結合各種架構設計已經將分布式基石做好了，但是在業務層的架構設計上，還是有很多問題需要解決，比如子服務更新如何不影響全局，功能迭代如何足夠快，如何細粒度的監控某些服務狀態等。為了解決這些問題，于是出現了微服務架構，將業務從粒度上變成更加輕量，每個服務負責更小的業務，這樣就可以更快的迭代，更細粒度的監控服務狀態等。

1.3、ServiceMesh

雖然分布式基石做好了，微服務架構已經能解決業務層發展的一些問題，但是對于工程師來說，關心底層通訊協議，服務發現，負載均衡等這些細節，似乎有些繁瑣，就如同使用Linux一樣，如果開發者還需要關注什么是文件還是網絡（在Linux中,一切皆文件），那對于負擔太重了。于是隨著Docker和K8S的發展，ServiceMesh 應運而生，作為云原生下的服務間通訊的中間件，屏蔽了底層通訊協議，服務發現，負載均衡等細節，讓開發者只需要關注業務邏輯。

ServiceMesh架構圖

發展最早的是Linkerd，通過 Sidecar 模式托管服務間的網絡調用和調度，不過由于性能問題被開源社區放棄；第二代是由google發展的 Istio，重新開發了 Envoy 作為網關，將系統定義為數據面和控制面，數據面負責網絡通訊和負載均衡，控制面負責服務治理，下面將詳細介紹其架構和設計方式。

2、ServiceMesh 的開源實現：Istio

ServiceMesh有一些開源項目，其當前最流行是Google開源實現是 Istio，在2018年10月開源，目前已經發展到了1.2版本，其github地址為：

https://github.com/istio/istio

2.1、Istio架構圖

Istio架構圖如下：

Istio架構圖

提供的功能：

• 針對HTTP，gRPC，WebSocket和TCP協議提供負載均衡；
• 精細的流量控制，比如A/B測試，金絲雀部署等；
• 模塊化的插件設計，可以通過API進行訪問，頻率限制等；
• 全自動的請求遙測，包括請求的追蹤，監控和日志；
• 強大的安全功能，比如認證，授權，加密等；

2.2、Istio數據面

可以看到架構圖上，每個服務都有一個sidecar，也就是 Envoy，這個就是數據面，負責服務間通訊和負載均衡。所有進入服務的請求都經過 Envoy，然后根據路由規則轉發到相應的服務，所以 Envoy 被稱為服務網格的入口。Envoy 架構圖如下：

Envoy

當然，Envoy 并不是唯一的數據面，還有 Linkerd，Kuma 等，但是Envoy 性能比較好，所以目前使用最多。

2.3、Istio控制面

控制面負責服務治理，比如路由規則，安全策略等，是服務網格的控制核心，通過控制面，可以配置服務網格中各個組件的行為。為了結構化控制面的功能，Istio 將其分為Pilot，Mixer，Citadel組件，其各個部分對應的功能：

• Pilot：負責服務發現，負載均衡，路由規則等，不過Pilot不提供服務注冊，只提供標準化的接口，可以方便的對接到各個服務注冊中心，比如Eureka，Etcd等，然后通過服務發現控制Envoy的動態轉發能力；
• Mixer：負責訪問控制，策略執行等，在最初的Istio的架構設計中，Mixer是中心化的組件，由于Mixer提供了各種訪問控制策略，所以Mixer的負載壓力比較大，發起請求之前做一次邏輯檢查，請求結束后還需要上報處理，Mixer接收的請求至少漲了原始請求的2倍。為了解決這個問題，Mixer增加了緩存的功能，邏輯處理和上報都由Mixer緩存完成，這樣Mixer的負載壓力就能緩解；
• Citadel：負責安全功能，比如認證授權等，比如那些服務安全級別比較高，需要對請求做單獨的加密處理或者角色控制，Istio 通過引入Citadel組件，將安全能力透明化；

2.4、詳解 Envoy

Envoy是專為大型現代SOA（面向服務架構）設計的、用C++11開發的代理和通信總線，作為服務網格中的數據面，負責服務間通訊和負載均衡。開源地址：https://github.com/envoyproxy/envoy.git

（1）編譯編譯依賴：

• C++11
• bazel

git clone https://github.com/envoyproxy/envoy.git
cd envoy
bazel build //source/exe:envoy-static

（2）配置Envoy的配置文件為 yaml 格式，其配置文件分為兩部分：

• 靜態配置：在啟動時加載，后續不會變化；
• 動態配置：在運行時加載，可以調用API動態修改；
• 樣例配置文件：

admin:                  # 監控配置
  address:
    socket_address:
      protocol: TCP
      address: 0.0.0.0
      port_value: 9901  # 監聽的端口
static_resources:
  listeners:
  - name: listener_0
    address:
      socket_address:
        protocol: TCP
        address: 0.0.0.0
        port_value: 10000 # 監聽的端口
    filter_chains:
    - filters:
      - name: envoy.filters.network.http_connection_manager # 過濾器名稱
        typed_config:
          "@type": type.googleapis.com/envoy.extensions.filters.network.http_connection_manager.v3.HttpConnectionManager
          stat_prefix: ingress_http
          access_log:
          - name: envoy.access_loggers.stdout
            typed_config:
              "@type": type.googleapis.com/envoy.extensions.access_loggers.stream.v3.StdoutAccessLog
          route_config:
            name: local_route
            virtual_hosts:
            - name: local_service
              domains: ["*"]
              routes:
              - match:
                  prefix: "/"
                route:
                  host_rewrite_literal: www.envoyproxy.io
                  cluster: service_envoyproxy_io
          http_filters:
          - name: envoy.filters.http.router
            typed_config:
              "@type": type.googleapis.com/envoy.extensions.filters.http.router.v3.Router
  clusters:
  - name: service_envoyproxy_io
    type: LOGICAL_DNS
    # Comment out the following line to test on v6 networks
    dns_lookup_family: V4_ONLY
    lb_policy: ROUND_ROBIN
    load_assignment:
      cluster_name: service_envoyproxy_io
      endpoints:
      - lb_endpoints:
        - endpoint:
            address:
              socket_address:
                address: www.envoyproxy.io
                port_value: 443
    transport_socket:
      name: envoy.transport_sockets.tls
      typed_config:
        "@type": type.googleapis.com/envoy.extensions.transport_sockets.tls.v3.UpstreamTlsContext
        sni: www.envoyproxy.io

（3）服務啟動和測試

./envoy -c envoy.yaml
curl -v localhost:10000

# 返回數據
TODO：

（4）Envoy架構

圖片

Envoy包括幾個部分：

• listeners：監聽器，負責監聽端口，接收請求，比如上述的配置文件中監聽10000端口；
• filter Chains：過濾器鏈，可以在配置文件配置對于請求的處理鏈路，可以在任何一個套接字上，按我們的需要去拼接多個過濾器，來實現對流量的、不同功能的處理，比如上述的配置文件中的過濾器鏈，在監聽器上添加了 HttpConnectionManager 過濾器，這個過濾器負責解析HTTP協議；
• cluster defintios：設置轉發到下游的upsteam server，比如上述配置文件中的cluster defintios，設置轉發到www.envoyproxy.io這個域名；

Envoy提供了xDS API標準，什么是xDS？xDS是x-discovery service，也就是服務發現服務，Envoy通過xDS API獲取配置信息，然后根據配置信息進行轉發，包括幾個類型，分別是：EDS（endpoint discovery service），LDS（listener discovery service）和CDS（cluster discovery service），對應實現節點服務發現，監聽器服務發現和集群服務發現。

Envoy

Envoy支持L3/L4 filter架構，提供了對L3/L4網絡代理功能，這是Envoy的核心功能，還支持TCP、UDP、HTTP、TLS證書認證、Redis、Postgres、MongoDb等諸多協議的filter；Envoy支持HTTP L7架構，提供了對HTTP協議的filter，支持HTTP1.1、HTTP2、HTTP3，gRPC等協議；Envoy還提供了健康檢查，負載均衡，熔斷，限流等功能，并且有強大的可觀測性，包括metrics、tracing等；

（5）Envoy處理請求流程

• 某請求經過TCP鏈接被處于某個worker線程的listener接受；
• listener filter鏈被創建，一個listener可以有多個filter鏈，主要用于SNI、相關等處理，一旦處理完成，listener將匹配一個network filter鏈，如HTTP connection manager；
• listener filter鏈可以與TLS關聯，以解密被加密的數據，network filter鏈被創建，如HTTP connection manager；
• HTTP/2編解碼器將TCP流解幀為獨立的stream，每個stream處理一對request/response；
• 對于每個HTTP stream，一個下游http filter被創建，其中最重要的是route filter，它必須位于HTTP filter鏈的末端；
• route filter根據配置來選定請求要被路由到哪個cluster（route filter將從cluster獲取HTTP connection pool）；
• cluster通過負載均衡策略選定最終的上游節點，其中還涉及到了斷路器與健康檢查等機制，若HTTP connection pool不存在存活的鏈接，則一個與上游節點的新鏈接將被建立；
• 對于每個stream，一個上游HTTP filter鏈將被創建，默認情況下只有codec filter，它主要負責將請求編碼給上游節點，并將上游節點的回包解碼；
• 處理與上游節點相關的TLS，而后將請求發送到上游節點；
• 收到上游節點的回包后，回包以相反順序依次經過HTTP filter，包括上游codec filter，route filter等filter，最終被發送到下游；
• 最后stream被銷毀，更新整個過程中產生的統計數據與日志；

3、Istio實踐

Istio 是基于K8S編排服務，而K8S網絡相關的知識點，在《Kubernetes核心原理》做過一些介紹，這里再回顧一下：

• K8S的物理資源是Node，每個Node上運行一個Kubelet進程，而Node上運行的Pod，就是K8S的邏輯資源；
• 每個Pod都有一個IP地址，通過該IP地址可以訪問到Pod；
• 如果聲明Deploymnet，則K8S會為該Deployment創建一組Pod，每個Pod的IP地址是不同的，為了這些Pod實現負載均衡，K8S會為每個Pod創建一個Service，Service的IP地址是固定的，通過該IP地址可以訪問到一組Pod；
• Service的IP地址是虛擬IP，K8S通過iptables規則將Service的IP地址映射到Pod的IP地址；
• 在K8S中服務發現，是通過CoreDNS實現的DNS服務來找到對應的Service的IP；

而在Istio中，每個Pod都有一個對應的Sidecar，Sidecar負責與K8S進行通信，可以登陸到業務的Pod中執行ps aux，會看到proxy的進程，具體istio的pods詳細如下圖：

詳情

如果你想繼續探究內部實現，可以嘗試自己安裝Istio，如果你沒有自己的可用集群，可以使用Kubernetes Playground，打開鏈接：https://labs.play-with-k8s.com/具體可以參考這篇文章：https://www.knowledgehut.com/blog/cloud-computing/test-drive-your-first-istio-deployment-using-play-with-kubernetes-platform-cloud-computing

對應的腳本已經準備好了，可以先執行istio-preinstall.sh：

#!/bin/bash
kubeadm init --apiserver-advertise-address $(hostname -i)
mkdir -p $HOME/.kube
chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config
kubectl apply -n kube-system -f "https://cloud.weave.works/k8s/net?k8s-versinotallow=$(kubectl version | base64 | tr -d '\n')"

然后執行istio-install.sh：

#!/bin/bash
curl -L https://git.io/getLatestIstio | sh -
export PATH=$PWD/bin:$PATH
cd istio-1.21.2
istioctl manifest apply --set profile=demo --set values.gateways.istio-ingressgateway.type=ClusterIP

最后執行：kubectl -n istio-system get pod 可以看到isito-ingressgateway和istio-pilot的pod狀態都是running。

參考

（1）https://cloud.tencent.com/developer/article/1351311

（2）https://labs.play-with-k8s.com/

（3）https://blog.csdn.net/KeyarchOS/article/details/135782578