Istio入门实战与架构原理——使用Docker Compose搭建Service Mesh
本文将介绍如何使用Docker Compose搭建Istio。Istio号称支持多种平台（不仅仅Kubernetes）。然而，官网上非基于Kubernetes的教程仿佛不是亲儿子，写得非常随便，不仅缺了一些内容，而且还有坑。本文希望能补实这些内容。我认为在学习Istio的过程中，相比于Kubernetes，使用Docker Compose部署更能深刻地理解Istio各个组件的用处以及他们的交互关系。在理解了这些后，可以在其他环境，甚至直接在虚拟机上部署Istio。当然，生产环境建议使用Kubernetes等成熟的容器框架。
本文使用官方的Bookinfo示例。通过搭建Istio控制平面，部署Bookinfo应用，最后配置路由规则，展示Istio基本的功能和架构原理。
本文涉及的名词、用到的端口比较多。Don't panic.
为了防止不提供原网址的转载，特在这里加上原文链接：
https://www.cnblogs.com/skabyy/p/10668079.html
准备工作
- 安装Docker和Docker Compose。
- 安装
kubectl（Kubernetes的客户端）。 - 下载Istio release 1.1.0并解压。注意，这里下载的是Linux的版本。即使你用的Windows或者OSX操作系统，也应该下载Linux版本的Istio，因为我们要放到Docker容器里去运行的。
Service Mesh架构
在微服务架构中，通常除了实现业务功能的微服务外，我们还会部署一系列的基础组件。这些基础组件有些会入侵微服务的代码。比如服务发现需要微服务启动时注册自己，链路跟踪需要在HTTP请求的headers中插入数据，流量控制需要一整套控制流量的逻辑等。这些入侵的代码需要在所有的微服务中保持一致。这导致了开发和管理上的一些难题。
为了解决这个问题，我们再次应用抽象和服务化的思想，将这些需要入侵的功能抽象出来，作为一个独立的服务。这个独立的服务被称为sidecar，这种模式叫Sidecar模式。对每个微服务节点，都需要额外部署一个sidecar来负责业务逻辑外的公共功能。所有的出站入站的网络流量都会先经过sidecar进行各种处理或者转发。这样微服务的开发就不需要考虑业务逻辑外的问题。另外所有的sidecar都是一样的，只需要部署的时候使用合适的编排工具即可方便地为所有节点注入sidecar。
Sidecar不会产生额外网络成本。Sidecar会和微服务节点部署在同一台主机上并且共用相同的虚拟网卡。所以sidecar和微服务节点的通信实际上都只是通过内存拷贝实现的。
图片来自：Pattern: Service Mesh
Sidecar只负责网络通信。还需要有个组件来统一管理所有sidecar的配置。在Service Mesh中，负责网络通信的部分叫数据平面（data plane），负责配置管理的部分叫控制平面（control plane）。数据平面和控制平面构成了Service Mesh的基本架构。
图片来自：Pattern: Service Mesh
Istio的数据平面主要由Envoy实现，控制平面则主要由Istio的Pilot组件实现。
部署控制平面
如果你使用Linux操作系统，需要先配置DOCKER_GATEWAY环境变量。非Linux系统不要配。
$ export DOCKER_GATEWAY=172.28.0.1:
到install/consul目录下，使用istio.yaml文件启动控制平面：
根据自己的网络情况（你懂得），可以把
istio.yaml中的镜像gcr.io/google_containers/kube-apiserver-amd64:v1.7.3换成mirrorgooglecontainers/kube-apiserver-amd64:v1.7.3。
$ docker-compose -f istio.yaml up -d
用命令docker-compose -f istio.yaml ps看一下是不是所有组件正常运行。你可能（大概率）会看到pilot的状态是Exit 255。使用命令docker-compose -f istio.yaml logs | grep pilot查看日志发现，pilot启动时访问istio-apiserver失败。这是因为Docker Compose是同时启动所有容器的，在pilot启动时，istio-apiserver也是处于启动状态，所以访问istio-apiserver就失败了。
等istio-apiserver启动完成后，重新运行启动命令就能成功启动pilot了。你也可以写一个脚本来自动跑两次命令：
docker-compose -f istio.yaml up -d
# 有些依赖别人的第一次启动会挂
sec=10 # 根据你的机器性能这个时间可以修改
echo "Wait $sec seconds..."
sleep $sec
docker-compose -f istio.yaml up -d
docker-compose -f istio.yaml ps
配置kubectl，让kubectl使用我们刚刚部署的istio-apiserver作为服务端。我们后面会使用kubectl来执行配置管理的操作。
$ kubectl config set-context istio --cluster=istio
$ kubectl config set-cluster istio --server=http://localhost:8080
$ kubectl config use-context istio
部署完成后，使用地址localhost:8500可以访问consul，使用地址localhost:9411可以访问zipkin。
控制平面架构
在下一步之前，我们先来看一下控制平面都由哪些组件组成。下面是istio.yaml文件的内容：
# GENERATED FILE. Use with Docker-Compose and consul
# TO UPDATE, modify files in install/consul/templates and run install/updateVersion.sh
version: '2'
services:
etcd:
image: quay.io/coreos/etcd:latest
networks:
istiomesh:
aliases:
- etcd
ports:
- "4001:4001"
- "2380:2380"
- "2379:2379"
environment:
- SERVICE_IGNORE=1
command: ["/usr/local/bin/etcd", "-advertise-client-urls=http://0.0.0.0:2379", "-listen-client-urls=http://0.0.0.0:2379"]
istio-apiserver:
# 如果这个镜像下载不了的话，可以换成下面的地址：
# image: mirrorgooglecontainers/kube-apiserver-amd64:v1.7.3
image: gcr.io/google_containers/kube-apiserver-amd64:v1.7.3
networks:
istiomesh:
ipv4_address: 172.28.0.13
aliases:
- apiserver
ports:
- "8080:8080"
privileged: true
environment:
- SERVICE_IGNORE=1
command: ["kube-apiserver", "--etcd-servers", "http://etcd:2379", "--service-cluster-ip-range", "10.99.0.0/16", "--insecure-port", "8080", "-v", "2", "--insecure-bind-address", "0.0.0.0"]
consul:
image: consul:1.3.0
networks:
istiomesh:
aliases:
- consul
ports:
- "8500:8500"
- "${DOCKER_GATEWAY}53:8600/udp"
- "8400:8400"
- "8502:8502"
environment:
- SERVICE_IGNORE=1
- DNS_RESOLVES=consul
- DNS_PORT=8600
- CONSUL_DATA_DIR=/consul/data
- CONSUL_CONFIG_DIR=/consul/config
entrypoint:
- "docker-entrypoint.sh"
command: ["agent", "-bootstrap", "-server", "-ui",
"-grpc-port", "8502"
]
volumes:
- ./consul_config:/consul/config
registrator:
image: gliderlabs/registrator:latest
networks:
istiomesh:
volumes:
- /var/run/docker.sock:/tmp/docker.sock
command: ["-internal", "-retry-attempts=-1", "consul://consul:8500"]
pilot:
image: docker.io/istio/pilot:1.1.0
networks:
istiomesh:
aliases:
- istio-pilot
expose:
- "15003"
- "15005"
- "15007"
ports:
- "8081:15007"
command: ["discovery",
"--httpAddr", ":15007",
"--registries", "Consul",
"--consulserverURL", "http://consul:8500",
"--kubeconfig", "/etc/istio/config/kubeconfig",
"--secureGrpcAddr", "",
]
volumes:
- ./kubeconfig:/etc/istio/config/kubeconfig
zipkin:
image: docker.io/openzipkin/zipkin:2.7
networks:
istiomesh:
aliases:
- zipkin
ports:
- "9411:9411"
networks:
istiomesh:
ipam:
driver: default
config:
- subnet: 172.28.0.0/16
gateway: 172.28.0.1
控制平面部署了这几个组件（使用istio.yaml里写的名称）：
etcd：分布式key-value存储。Istio的配置信息存在这里。istio-apiserver：实际上是一个kube-apiserver，提供了Kubernetes格式数据的读写接口。consul：服务发现。registrator：监听Docker服务进程，自动将容器注册到consul。pilot：从consul和istio-apiserver收集主机信息与配置数据，并下发到所有的sidecar。zipkin：链路跟踪组件。与其他组件的关系相对独立。
这些组件间的关系如下图：
控制平面主要实现了以下两个功能：
- 借用Kubernetes API管理配置数据。
etcd和kube-apiserver的组合可以看作是一个对象存储系统，它提供了读写接口和变更事件，并且可以直接使用kubectl作为客户端方便地进行操作。Istio直接使用这个组合作为控制平面的持久化层，节省了重复开发的麻烦，另外也兼容了Kubernetes容器框架。 - 使用Pilot-discovery将主机信息与配置数据同步到Envoy。
pilot容器中实际执行的是pilot-discovery（发现服务）。它从consul收集各个主机的域名和IP的对应关系，从istio-apiserver获取流量控制配置，然后按照Envoy的xDS API规范生成Envoy配置，下发到所有sidecar。
部署微服务和sidecar
接下来我们开始部署微服务。这里我们使用Istio提供的例子，一个Bookinfo应用。
Bookinfo 应用分为四个单独的微服务：
productpage：productpage微服务会调用details和reviews两个微服务，用来生成页面。details：这个微服务包含了书籍的信息。reviews：这个微服务包含了书籍相关的评论。它还会调用ratings微服务。ratings：ratings微服务中包含了由书籍评价组成的评级信息。
reviews微服务有3个版本：
- v1版本不会调用
ratings服务。 - v2版本会调用
ratings服务，并使用1到5个黑色星形图标来显示评分信息。 - v3版本会调用
ratings服务，并使用1到5个红色星形图标来显示评分信息。
Bookinfo应用的架构如下图所示：
图片来自：Bookinfo应用
首先，我们切换到这个示例的目录samples/bookinfo/platform/consul下。
使用bookinfo.yaml文件启动所有微服务：
$ docker-compose -f bookinfo.yaml up -d
这里只启动了微服务，还需使用bookinfo.sidecar.yaml文件启动所有sidecar：
$ docker-compose -f bookinfo.sidecars.yaml up -d
部署完毕。但是当我们访问时……
Bookinfo暴露到外面的端口是9081，使用地址localhost:9081/productpage访问productpage页面。
Emmm……出错了：
本来应该显示reviews的部分报错了，而details还是正常的。经过一番排查，我们发现，在所有微服务的容器上，不管你访问的是productpage、details、reviews还是ratings，网络请求都会跑到details。
你的情况不一定是
details，也有可能所有流量都跑到另外的某个服务。这是随机的。
# 到reviews查reviews，返回404
$ docker exec -it consul_ratings-v1_1 curl reviews.service.consul:9080/reviews/0
Not Found
Not Found
`/reviews/0' not found.
WEBrick/1.3.1 (Ruby/2.3.8/2018-10-18) at
reviews.service.consul:9080
# 到reviews查details，反倒能查出数据，诡异的路由……
$ docker exec -it consul_ratings-v1_1 curl reviews.service.consul:9080/details/0
{"id":0,"author":"William Shakespeare","year":1595,"type":"paperback","pages":200,"publisher":"PublisherA","language":"English","ISBN-10":"1234567890","ISBN-13":"123-1234567890"}
不用怀疑部署的时候哪里操作失误了，就是官方的部署文件有坑……
要解决这个问题，我们来看看sidecar的原理。
Istio Sidecar模式的原理
首先看看两个部署用的yaml文件都做了什么。由于每个微服务的部署都大同小异，这里只贴出productpage相关的内容。
bookinfo.yaml：
version: '2'
services:
……
productpage-v1:
image: istio/examples-bookinfo-productpage-v1:1.10.1
networks:
istiomesh:
ipv4_address: 172.28.0.14
dns:
- 172.28.0.1
- 8.8.8.8
dns_search:
- service.consul
environment:
- SERVICE_NAME=productpage
- SERVICE_TAGS=version|v1
- SERVICE_PROTOCOL=http
ports:
- "9081:9080"
expose:
- "9080"
……
dns_search: - search.consul。Docker Compose部署的这套样例对短服务主机名的解析可能会有问题，所以这里需要加个后缀。environment环境变量的几个设置。registrator会以这些环境变量为配置将服务注册到consul。SERVICE_NAME是注册的服务名，SERVICE_TAGS是注册服务的ServiceTags，而SERVICE_PROTOCOL=http则会将protocol: http加入到ServiceMeta。
bookinfo.sidecar.yaml：
version: '2'
services:
……
productpage-v1-init:
image: docker.io/istio/proxy_init:0.7.1
cap_add:
- NET_ADMIN
network_mode: "container:consul_productpage-v1_1"
command:
- -p
- "15001"
- -u
- "1337"
productpage-v1-sidecar:
image: docker.io/istio/proxy_debug:1.1.0
network_mode: "container:consul_productpage-v1_1"
entrypoint:
- su
- istio-proxy
- -c
- "/usr/local/bin/pilot-agent proxy --serviceregistry Consul --serviceCluster productpage-v1 --zipkinAddress zipkin:9411 --configPath /var/lib/istio >/tmp/envoy.log"
……
- sidecar由两部分组成，一个是负责初始化的
proxy_init，这个容器执行完就退出了；另一个是实际的sidecar程序proxy_debug。 - 注意这两个容器的
network_mode，值为container:consul_productpage-v1_1。这是Docker的容器网络模式，意思是这两个容器和productpage-v1共用同一个虚拟网卡，即它们在相同网络栈上。
proxy_init
sidecar的网络代理一般是将一个端口转发到另一个端口。所以微服务使用的端口就必须和对外暴露的端口不一样，这样一来sidecar就不够透明。
为了使sidecar变得透明，以Istio使用proxy_init设置了iptables的转发规则（proxy_init、proxy_debug和productpage-v1在相同的网络栈上，所以这个配置对这三个容器都生效）。添加的规则为：
- 回环网络的流量不处理。
- 用户ID为1337的流量不处理。1337是Envoy进程的用户ID，这条规则是为了防止流量转发死循环。
- 所有出站入站的流量除了规则1和规则2外，都转发到15001端口——这是Envoy监听的端口。
比如productpage服务使用的9080端口，当其他服务通过9080端口访问productpage是，请求会先被iptables转发到15001端口，Envoy再根据路由规则转发到9080端口。这样访问9080的流量实际上都在15001绕了一圈，但是对外部来说，这个过程是透明的。
proxy_debug
proxy_debug有两个进程：pilot-agent和envoy。proxy_debug启动时，会先启动pilot-agent。pilot-agent做的事很简单，它生成了envoy的初始配置文件/var/lib/istio/envoy-rev0.json，然后启动envoy。后面的事就都交给envoy了。
使用下面命令导出初始配置文件：
$ docker exec -it consul_productpage-v1-sidecar_1 cat /var/lib/istio/envoy-rev0.json > envoy-rev0.json
使用你心爱的编辑器打开初始配置文件，可以看到有这么一段：
……
"name": "xds-grpc",
"type": "STRICT_DNS",
"connect_timeout": "10s",
"lb_policy": "ROUND_ROBIN",
"hosts": [
{
"socket_address": {"address": "istio-pilot", "port_value": 15010}
}
],
……
这一段的意思是envoy会连接到pilot（控制平面的组件，忘记了请往上翻翻）的15010端口。这俩将按照xDS的API规范，使用GRPC协议实时同步配置数据。
xDS是Envoy约定的一系列发现服务（Discovery Service）的统称。如CDS（Cluster Discovery Service），EDS（Endpoint Discovery Service），RDS（Route Discovery Service）等。Envoy动态配置需要从实现了xDS规范的接口（比如这里的
pilot-discovery）获取配置数据。
总结一下，Envoy配置初始化流程为：
图片来自：Istio流量管理实现机制深度解析
那么说envoy实际使用的路由配置并不在初始配置文件中，而是pilot生成并推送过来的。如何查看envoy的当前配置呢？还好envoy暴露了一个管理端口15000：
$ docker exec -it consul_productpage-v1-sidecar_1 curl localhost:15000/help
admin commands are:
/: Admin home page
/certs: print certs on machine
/clusters: upstream cluster status
/config_dump: dump current Envoy configs (experimental)
/contention: dump current Envoy mutex contention stats (if enabled)
/cpuprofiler: enable/disable the CPU profiler
/healthcheck/fail: cause the server to fail health checks
/healthcheck/ok: cause the server to pass health checks
/help: print out list of admin commands
/hot_restart_version: print the hot restart compatibility version
/listeners: print listener addresses
/logging: query/change logging levels
/memory: print current allocation/heap usage
/quitquitquit: exit the server
/reset_counters: reset all counters to zero
/runtime: print runtime values
/runtime_modify: modify runtime values
/server_info: print server version/status information
/stats: print server stats
/stats/prometheus: print server stats in prometheus format
我们可以通过/config_dump接口导出envoy的当前配置：
$ docker exec -it consul_productpage-v1-sidecar_1 curl localhost:15000/config_dump > envoy.json
打开这个配置，看到这么一段：
……
"listener": {
"name": "0.0.0.0_9080",
"address": {
"socket_address": {
"address": "0.0.0.0",
"port_value": 9080
}
},
"filter_chains": [
{
"filters": [
{
"name": "envoy.tcp_proxy",
"typed_config": {
"@type": "type.googleapis.com/envoy.config.filter.network.tcp_proxy.v2.TcpProxy",
"stat_prefix": "outbound|9080||details.service.consul",
"cluster": "outbound|9080||details.service.consul",
……
猜一下也能知道，这一段的意思是，访问目标地址9080端口的出站流量，都会被路由到details。太坑了！！！
解决问题
从上面原理分析可知，这个问题的根源应该在于pilot给Envoy生成的配置不正确。
查看pilot源码得知，pilot在生成配置时，用一个map保存Listener信息。这个map的key为pilot会将这个Listener和路由写入到这个map，并拒绝其他相同地址端口再来监听。于是只有第一个注册的服务的路由会生效，所有流量都会走到那个服务。如果这个端口有指定使用HTTP协议的话，Pilot-discovery这里生成的是一个RDS的监听，这个RDS则根据域名路由到正确的地址。
简单说就是所有微服务在注册到consul时应该在ServiceMeta中说明自己9080端口的协议是http。
等等，前面的bookinfo.yaml配置里，有指定9080端口的协议是了呀。我们访问一下consul的接口看下ServiceMeta是写入了没有：
果然没有……看来Registrator注册的时候出了岔子。网上搜了下，确实有Issue提到了这个问题：gliderlabs/registrator#633。istio.yaml中使用的latest版本的Registrator不支持写入Consul的ServiceMeta。应该改为master版本。
修改一下istio.yaml配置。按照部署倒叙关闭sidecar、微服务，重新启动控制平面，等registrator启动完毕后，重新部署微服务和sidecar。
# /samples/bookinfo/platform/consul
$ docker-compose -f bookinfo.sidecars.yaml down
$ docker-compose -f bookinfo.yaml down
# /install/consul
$ docker-compose -f istio.yaml up -d
# /samples/bookinfo/platform/consul
$ docker-compose -f bookinfo.yaml up -d
$ docker-compose -f bookinfo.sidecars.yaml up -d
再访问consul的接口试试，有了（没有的话可能是registrator没启动好导致没注册到consul，再新部署下微服务和sidecar）：
再访问页面，OK了。目前没有配置路由规则，reviews的版本是随机的。多刷新几次页面，可以看到打星在“没有星星”、“黑色星星”和“红色星星”三种效果间随机切换。
使用地址http://localhost:9411能访问Zipkin链路跟踪系统，查看微服务请求链路调用情况。
我们来看看正确的配置是什么内容。再取出Envoy的配置，0.0.0.0_9080的Listener内容变为：
……
"listener": {
"name": "0.0.0.0_9080",
"address": {
"socket_address": {
"address": "0.0.0.0",
"port_value": 9080
}
},
"filter_chains": [
{
"filters": [
{
"name": "envoy.http_connection_manager",
"typed_config": {
"@type": "type.googleapis.com/envoy.config.filter.network.http_connection_manager.v2.HttpConnectionManager",
"stat_prefix": "0.0.0.0_9080",
"rds": {
"config_source": {
"ads": {}
},
"route_config_name": "9080"
},
……
9080端口的出站路由规则由一个名称为"9080"的route_config定义。找一下这个route_config：
……
"route_config": {
"name": "9080",
"virtual_hosts": [
{
"name": "details.service.consul:9080",
"domains": [
"details.service.consul",
"details.service.consul:9080",
"details",
"details:9080",
"details.service",
"details.service:9080"
],
"routes": [
{
"match": {
"prefix": "/"
},
"route": {
"cluster": "outbound|9080|v1|details.service.consul",
……
},
……
}
]
},
{
"name": "productpage.service.consul:9080",
"domains": [
"productpage.service.consul",
"productpage.service.consul:9080",
"productpage",
"productpage:9080",
"productpage.service",
"productpage.service:9080"
],
"routes": [
{
"match": {
"prefix": "/"
},
"route": {
"cluster": "outbound|9080|v1|productpage.service.consul",
……
},
……
}
]
},
……
由于内容太长，这里只贴details和productpage的关键内容。可以看到，9080端口的出站流量会根据目标地址的域名正确地转发到对应的微服务。
Istio路由控制
注意：本节工作目录为/samples/bookinfo/platform/consul。
最后我们尝试一下Istio的路由控制能力。在配置路由规则之前，我们要先使用DestinationRule定义各个微服务的版本：
$ kubectl apply -f destination-rule-all.yaml
DestinationRule：DestinationRule定义了每个服务下按照某种策略分割的子集。在本例子中按照版本来分子集，
reviews分为v1、v2、v3三个版本的子集，其他微服务都只有v1一个子集。
使用命令kubectl get destinationrules -o yaml可以查看已配置的DestinationRule。
接下来我们使用VirtualService来配置路由规则。virtual-service-all-v1.yaml配置会让所有微服务的流量都路由到v1版本。
$ kubectl apply -f virtual-service-all-v1.yaml
VirtualService：定义路由规则，按照这个规则决定每次请求服务应该将流量转发到哪个子集。
使用命令kubectl get virtualservices -o yaml可以查看已配置的VirtualService。
再刷新页面，现在不管刷新多少次，reviews都会使用v1版本，也就是页面不会显示星星。
下面我们试一下基于用户身份的路由规则。配置文件virtual-service-reviews-test-v2.yaml配置了reviews的路由，让用户jason的流量路由到v2版本，其他情况路由到v1版本。
$ kubectl apply -f virtual-service-reviews-test-v2.yaml
执行命令后刷新页面，可以看到reviews都使用的v1版本，页面不会显示星星。点击右上角的Sign in按钮，以jason的身份登录（密码随便），可以看到reviews切换到v2版本了，页面显示了黑色星星。
查看virtual-service-reviews-test-v2.yaml文件内容可以看到，基于身份的路由是按照匹配HTTP的headers实现的。当HTTP的headers有end-user: jason的内容时路由到v2版本，否则路由到v1版本。
apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: VirtualService
metadata:
name: reviews
spec:
hosts:
- reviews.service.consul
http:
- match:
- headers:
end-user:
exact: jason
route:
- destination:
host: reviews.service.consul
subset: v2
- route:
- destination:
host: reviews.service.consul
subset: v1
几点注意事项的总结
istio.yaml引用的Registrator的latest版本不支持consul的ServiceMeta。要改为master版本。- 第一次启动
istio.yaml后，因为启动时pilot连不上istio-apiserver，pilot会失败退出。等待istio-apiserver启动完毕后再跑一次istio.yaml。 - 配置
kubectl的context，让kubectl使用istio-apiserver提供的Kubernetes API接口。 - 使用
bookinfo.yaml启动各个微服务后，还要运行bookinfo.sidecar.yaml以初始化和启动sidecar。
整体架构图
参考资料
- Istio文档
- Pattern: Service Mesh
- Envoy 的架构与基本术语
- Understanding How Envoy Sidecar Intercept and Route Traffic in Istio Service Mesh
- Istio Pilot与Envoy的交互机制解读
- Istio流量管理实现机制深度解析