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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.

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。

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。

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。

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http://gcr.io/google_containers/kube-apiserver-amd64:v1.7.3换成mirrorgooglecontainers/kube-apiserver-amd64:v1.7.3。

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：

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。

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：

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：

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：

这里只启动了微服务，还需使用bookinfo.sidecar.yaml文件启动所有sidecar：

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。

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：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：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：

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：

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：

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：

我们可以通过/config_dump接口导出envoy的当前配置：

打开这个配置，看到这么一段：

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:。如果服务注册的时候，没有指明端口上的协议的话，默认认为TCP协议。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。

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：

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：

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：

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。

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。

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。

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

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