ServiceMesh & Istio

服务网格（ServiceMesh）号称是下一代微服务架构。

一、ServiceMesh架构

互联网公司，经常使用的是微服务分层架构。

画外音：
为什么要服务化，详见服务化解决了什么问题？

随着数据量不断增大，吞吐量不断增加，业务越来越复杂，服务的个数会越来越多，分层会越来越细，除了数据服务层，还会衍生出业务服务层，前后端分离等各种层次结构。

画外音：

分层的细节，详见《互联网分层架构演进》。
不断发现主要矛盾，抽离主要矛盾，解决主要矛盾，架构自然演进了，微服务架构，潜在的主要矛盾会是什么呢？

引入微服务架构，一般会引入一个RPC框架，来完成整个RPC的调用过程。

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如上图粉色部分所示，RPC分为：

• RPC-client，它嵌在调用方进程里

• RPC-server，是服务进程的基础

画外音：

《离不开的微服务架构，脱不开的RPC细节》。

不只是微服务，MQ也是类似的架构：

image.png

如上图粉色部分所示，MQ分为：

• MQ-send-client

• MQ-server

• MQ-recv-client

画外音：

《MQ，互联网架构解耦神器》。

框架只是第一步，越来越多和RPC，和微服务相关的功能，会被加入进来。

例如：负载均衡

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如果要扩展多种负载均衡方案，例如：

• 轮询

• 随机

• 取模

• 一致性哈希

RPC-client需要进行升级。

例如：数据收集

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如果要对RPC接口处理时间进行收集，来实施统一监控与告警，也需要对RPC-client进行升级。

画外音，处理时间分为：
客户端视角处理时间
服务端视角处理时间
如果要收集后者，RPC-server也要修改与上报。

又例如：服务发现

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服务新增一个实例，通知配置中心，配置中心通知已注册的RPC-client，将流量打到新启动的服务实例上去，迅猛完成扩容。

再例如：调用链跟踪

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如果要做全链路调用链跟踪，RPC-client和RPC-server都需要进行升级。 下面这些功能：负载均衡数据收集服务发现调用链跟踪…其实都不是业务功能，所以互联网公司一般会有一个类似于“架构部”的技术部门去研发和升级相关功能，而业务线的技术部门直接使用相关框架、工具与平台，享受各种“黑科技”带来的便利。

完美！！！ 理想很丰满，现实却很骨感，由于：

• RPC-client，它嵌在调用方进程里
• RPC-server，是服务进程的基础

往往会面临以下一些问题：

• 业务技术团队，仍需要花时间去学习、使用基础框架与各类工具，而不是全心全意将精力花在业务和产品上
• client要维护m个版本， server要维护n个版本，兼容性要测试m*n个版本
• 如果要支持不同语言，往往要开发C-client，Python-client，go-client，Java-client多语言版本
• 每次“黑科技”的升级，都需要推动上下游进行升级，这个周期往往是以季度、半年、又甚至更久，整体效率极低

画外音：
兄弟，贵司推广一个技术新产品，周期要多长？
这些耦合，这些通用的痛点，有没有办法解决呢？

一个思路是，将服务拆分成两个进程，解耦。

• 一个进程实现业务逻辑（不管是调用方，还是服务提供方），biz，即上图白色方块
• 一个进程实现底层技术体系，proxy，即上图蓝色方块

画外音：
负载均衡、监控告警、服务发现与治理、调用链…等诸多基础设施，都放到这一层实现。

• biz和proxy共同诞生，共同消亡，互为本地部署，即上图虚线方框
• biz和proxy之间，为本地通讯，即上图黑色箭头
• 所有biz之间的通讯，都通过proxy之间完成，proxy之间才存在远端连接，即上图红色箭头

这样就实现了“业务的归业务，技术的归技术”，实现了充分解耦，如果所有节点都实现了解耦，整个架构会演变为：

• 绿色为biz

• 蓝色为proxy

整个服务集群变成了网格状，这就是Service Mesh服务网格的由来。

二、Istio

要聊ServiceMesh，就不得不提Istio，它是ServiceMesh目前最流行的实践，今天说说Istio是干啥的。

画外音：不能落伍。

什么是Istio？
Istio是ServiceMesh的产品化落地，它的一些关键性描述是：

• 帮助微服务之间建立连接，帮助研发团队更好的管理与监控微服务，并使得系统架构更加安全

画外音：
Istio helps you to connect, secure, control, and observe microservices

• 帮助微服务分层解耦，解耦后的proxy层能够更加专注于提供基础架构能力，例如：
  （1）服务发现(discovery);
  （2）负载均衡(load balancing);
  （3）故障恢复(failure recovery);
  （4）服务度量(metrics);
  （5）服务监控(monitoring);
  （6）A/B测试(A/B testing);
  （7）灰度发布(canary rollouts);
  （8）限流限速(rate limiting);
  （9）访问控制(access control);
  （10）身份认证(end-to-end authentication);

画外音：
佩服，硬是凑齐了十条，其实SM还能提供更多基础服务功能。

• 使得业务工程团队与基础架构团队都更加高效的工作，各自专注于自己的工作，更好的彼此赋能

画外音：
说的还是解耦。

Istio官网是怎么吹嘘自己的？

画外音：
这个问题的另一个问法是“为什么大家要来用Istio”。

Istio非常牛逼，如果要实施ServiceMesh，必须用Istio，因为：

• 可以通过，在现有服务器新增部署边车代理(sidecar proxy)，应用程序不用改代码，或者只需要改很少的代码，就能实现上述N项基础功能

画外音：
你信了么？

• 可以通过，控制后台，简单改改配置，点点按钮，就能管理和查看上述N项基础功能
• 以下特性，Istio在这个环节里进行了附加说明：
  （1）负载均衡支持多协议，HTTP, gRPC, WebSocket, TCP；
  （2）通过路由、重试、故障转移对流量进行细粒度流控；
  （3）通过可插拔策略层以及可配置API，能够支持流量访问控制、限速、配额管理；
  （4）自动度量、日志收集、调用跟踪；
  （5）服务到服务的身份认证；

Istio的核心特性是什么？
Istio强调了它提供的五项关键特性：

• 流控(traffic management)

画外音：
断路器(circuit breakers)、超时、重试、高可用、多路由规则、AB测试、灰度发布、按照百分比分配流量等。

• 安全(security)
  画外音：
  加密、身份认证、服务到服务的权限控制、K8S里容器到容器的权限控制等。

• 可观察(observability)
  画外音：
  追踪、监控、数据收集，通过控制后台全面了解上行下行流量，服务链路情况，服务运行情况，系统性能情况，国内微服务架构体系，这一块做得比较缺乏。

• 平台无关系(platform support)
  画外音：
  K8s，物理机，自己的虚机都没问题。

• 集成与定制(integration and customization)
  画外音：
  可定制化扩展功能。

Istio的吹嘘与特性，对于国外很多通过RESTful提供内网服务的公司，很有吸引力，但相对于国内微服务架构，未必达到了很好的拉拢效果：
（1）国内基本都是TCP的RPC框架，多协议支持未必是必须的；
（2）RPC框架里，路由、重试、故障转移、负载均衡、高可用都是最基础的；
（3）流控、限速、配额管理，是服务治理的内容，在微服务架构初期是锦上添花；
（4）自动度量，系统入口出口数据收集，调用跟踪，可观察和可操控的后台确实是最吸引人的；
（5）服务到服务的身份认证，微服务基本是内网访问，在架构初期也只是锦上添花；

另外一个花边，为什么代理会叫sidecar proxy？

看了上图就容易懂了，biz和proxy相生相伴，就像摩托车(motor)与旁边的车厢(sidecar)。未来，sidecar和proxy就指微服务进程解耦成两个进程之后，提供基础能力的那个代理进程。

Istio这么牛逼，它的核心架构如何呢？

三、Istio核心架构

关于Istio的架构设计，官网用了这样一句话：

逻辑上，Istio分为：

• 数据平面(data plane)
• 控制平面(control plane)

这两个词，是Istio架构核心，但又是大家被误导最多的地方。

数据平面和控制平面，不是ServiceMesh和Istio第一次提出，它是计算机网络，报文路由转发里很成熟的概念：

• 数据平面(data plane)：一般用来做快速转发

• 控制平面(control plane)：为快速转发提供必要的信息

  
  
  

画外音：上两图为路由器架构。
它的设计原则是：

• 在一个路由设备里，转发是最重要的工作，它具备最高的优先级，数据平面(data plane)的设计核心就是高效转发，如何在最短的时间里处理最多的包，往往使用高效内存管理、队列管理、超时管理等技术实现在硬件里
• 控制平面(control plane)则不然，它要实现路由协议，设备管理，IGMP，ARP协议的，它更偏向于控制与应用，往往由软件实现

画外音：

• IGMP（Internet GroupManagement Protocol），一个组播协议；

• ARP（Address ResolutionProtocol），这个大家比较熟悉，根据IP地址获取MAC地址；

Istio的架构核心与路由器非常类似：

• 服务（最上面的小红框），通过本地通讯与proxy交互
• 数据平面，由一系列proxy组成（中间一层的两个小红框），核心职责是：

（1）高效转发；
（2）接收和实施来自mixer的策略；

• 控制平面（底下的大红框），核心是控制与应用，核心职责是：

（1）管理和配置边车代理；
（2）通过mixer实施策略与收集来自边车代理的数据；

画外音：
（1）sidecar proxy，原文使用的是envoy，后文envoy表示代理；
（2）mixer，不确定要怎么翻译了，有些文章叫“混音器”，后文直接叫mixer；
（3）pilot，galley，citadel，不敢翻译为飞行员，厨房，堡垒，后文直接用英文；
如架构图所示，该两层架构中，有五个核心组件。

3.1 数据平面核心组件Envoy (proxy)

Envoy的核心职责是高效转发，更具体的，它具备这样一些能力：
（1）服务发现
（2）负载均衡
（3）安全传输
（4）多协议支持，例如HTTP/2，gRPC
（5）断路器(Circuit breakers)
（6）健康检查
（7）百分比分流路由
（8）故障注入(Fault injection)
（9）系统度量
大部分能力是RPC框架都具备，或者比较好理解的，这里面重点介绍下断路器和故障注入。

3.1.1 断路器设计

它是软件架构设计中，一个服务自我保护，或者说降级的设计思路。

举个例子：当系统检测出某个接口有大量超时时，断路器策略可以终止对这个接口的调用（断路器打开），经过一段时间后，再次尝试调用，如果接口不再超时，则慢慢恢复调用（断路器关闭）。

3.1.2 故障注入设计

它是软件架构设计中，一种故意引入故障，以扩大测试覆盖范围，保障系统健壮性的方法，主要用于测试。

国内大部分互联网公司，架构设计中不太会考虑故障注入，在操作系统内核开发与调试，路由器开发与调试中经常使用，可以用来模拟内存分配失败、磁盘IO错误等一些非常难出现的异常，以确保测试覆盖度。

3.2 控制平面核心组件

3.2.1 Mixer

Mixer的一些核心能力是：
（1）跨平台，作为其他组件的adapter，实现Istio跨平台的能力；
（2）和Envoy通讯，实时各种策略
（3）和Envoy通讯，收集各种数据
Mixer的设计核心在于“插件化”，这种模型使得Istio能够适配各种复杂的主机环境，以及后端基础设施。

3.2.2 Pilot

Pilot作为非常重要的控制平面组件，其核心能力是：
（1）为Envoy提供服务发现能力；
（2）为Envoy提供各种智能路由管理能力，例如A/B测试，灰度发布；
（3）为Envoy提供各种弹性管理能力，例如超时，重试，断路策略；
Pilot的设计核心在于“标准化”，它会将各种流控的控制命令转化为Envoy能够识别的配置，并在运行时，将这些指令扩散到所有的Envoy。Pilot将这些能力抽象成通用配置的好处是，所有符合这种标准的Envoy都能够接入到Pilot来。
潜台词是，任何第三方可以实现自己的proxy，只要符合相关的API标准，都可以和Pilot集成。

3.2.3 Citadel

Citadel组件，它提供终端用户身份认证，以及服务到服务的访问控制。总之，这是一个和安全相关的组件。

3.2.4 Galley

Gally组件，它是一个配置获取、校验、处理、分发的组件，它的设计核心在于“解耦”，它将“从底层平台（例如：K8S）获取用户配置”与Istio解耦开来。

3.3 总结

Istio采用二层架构，五大模块，进行微服务ServiceMesh解耦：

数据平面，主要负责高效转发

（1）envoy模块：即proxy；

• 控制平面，主要负责控制与应用

（2）mixer模块：支持跨平台，标准化API的adapter；
（3）pilot模块：控制与配置envoy的大部分策略；
（4）citadel模块：安全相关；
（5）galley模块：与底层平台（例如：K8S）配置解耦；

实施与控制分离，经典的架构设计方法，GOT？

思路比结论重要。

参考https://juejin.im/post/5d02771a6fb9a07ee30e14a1