Service Mesh服務(wù)網(wǎng)格新生代——Istio|前沿

Istio 是什么?
使用云平臺(tái)可以為組織提供豐富的好處。然而，不可否認(rèn)的是，采用云可能會(huì)給 DevOps 團(tuán)隊(duì)帶來(lái)壓力。開發(fā)人員必須使用微服務(wù)已滿足應(yīng)用的可移植性，同時(shí)運(yùn)營(yíng)商管理了極其龐大的混合和多云部署。Istio 允許您連接、保護(hù)、控制和觀測(cè)服務(wù)。

在較高的層次上，Istio 有助于降低這些部署的復(fù)雜性，并減輕開發(fā)團(tuán)隊(duì)的壓力。它是一個(gè)完全開源的服務(wù)網(wǎng)格，可以透明地分層到現(xiàn)有的分布式應(yīng)用程序上。它也是一個(gè)平臺(tái)，包括允許它集成到任何日志記錄平臺(tái)、遙測(cè)或策略系統(tǒng)的 API。Istio 的多樣化功能集使您能夠成功高效地運(yùn)行分布式微服務(wù)架構(gòu)，并提供保護(hù)、連接和監(jiān)控微服務(wù)的統(tǒng)一方法。

什么是服務(wù)網(wǎng)格？
在從單體應(yīng)用程序向分布式微服務(wù)架構(gòu)的轉(zhuǎn)型過(guò)程中，開發(fā)人員和運(yùn)維人員面臨諸多挑戰(zhàn)，使用 Istio 可以解決這些問(wèn)題。

服務(wù)網(wǎng)格（Service Mesh）這個(gè)術(shù)語(yǔ)通常用于描述構(gòu)成這些應(yīng)用程序的微服務(wù)網(wǎng)絡(luò)以及應(yīng)用之間的交互。隨著規(guī)模和復(fù)雜性的增長(zhǎng)，服務(wù)網(wǎng)格越來(lái)越難以理解和管理。它的需求包括服務(wù)發(fā)現(xiàn)、負(fù)載均衡、故障恢復(fù)、指標(biāo)收集和監(jiān)控以及通常更加復(fù)雜的運(yùn)維需求，例如 A/B 測(cè)試、金絲雀發(fā)布、限流、訪問(wèn)控制和端到端認(rèn)證等。

Istio 提供了一個(gè)完整的解決方案，通過(guò)為整個(gè)服務(wù)網(wǎng)格提供行為洞察和操作控制來(lái)滿足微服務(wù)應(yīng)用程序的多樣化需求。

為什么要使用 Istio？
Istio 提供一種簡(jiǎn)單的方式來(lái)為已部署的服務(wù)建立網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)具有負(fù)載均衡、服務(wù)間認(rèn)證、監(jiān)控等功能，而不需要對(duì)服務(wù)的代碼做任何改動(dòng)。想要讓服務(wù)支持 Istio，只需要在您的環(huán)境中部署一個(gè)特殊的 sidecar 代理，使用 Istio 控制平面功能配置和管理代理，攔截微服務(wù)之間的所有網(wǎng)絡(luò)通信：

• HTTP、gRPC、WebSocket 和 TCP 流量的自動(dòng)負(fù)載均衡。
• 通過(guò)豐富的路由規(guī)則、重試、故障轉(zhuǎn)移和故障注入，可以對(duì)流量行為進(jìn)行細(xì)粒度控制。
• 可插入的策略層和配置 API，支持訪問(wèn)控制、速率限制和配額。
• 對(duì)出入集群入口和出口中所有流量的自動(dòng)度量指標(biāo)、日志記錄和跟蹤。
• 通過(guò)強(qiáng)大的基于身份的驗(yàn)證和授權(quán)，在集群中實(shí)現(xiàn)安全的服務(wù)間通信。
• Istio 旨在實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性，滿足各種部署需求。

核心功能
Istio 在服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中統(tǒng)一提供了許多關(guān)鍵功能：

流量管理

通過(guò)簡(jiǎn)單的規(guī)則配置和流量路由，您可以控制服務(wù)之間的流量和 API 調(diào)用。Istio 簡(jiǎn)化了斷路器、超時(shí)和重試等服務(wù)級(jí)別屬性的配置，并且可以輕松設(shè)置 A/B測(cè)試、金絲雀部署和基于百分比的流量分割的分階段部署等重要任務(wù)。

通過(guò)更好地了解您的流量和開箱即用的故障恢復(fù)功能，您可以在問(wèn)題出現(xiàn)之前先發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，使調(diào)用更可靠，并且使您的網(wǎng)絡(luò)更加強(qiáng)大——無(wú)論您面臨什么條件。

安全

Istio 的安全功能使開發(fā)人員可以專注于應(yīng)用程序級(jí)別的安全性。Istio 提供底層安全通信信道，并大規(guī)模管理服務(wù)通信的認(rèn)證、授權(quán)和加密。使用Istio，服務(wù)通信在默認(rèn)情況下是安全的，它允許您跨多種協(xié)議和運(yùn)行時(shí)一致地實(shí)施策略——所有這些都很少或根本不需要應(yīng)用程序更改。

雖然 Istio 與平臺(tái)無(wú)關(guān)，但將其與 Kubernetes（或基礎(chǔ)架構(gòu)）網(wǎng)絡(luò)策略結(jié)合使用，其優(yōu)勢(shì)會(huì)更大，包括在網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層保護(hù) pod 間或服務(wù)間通信的能力。

可觀察性

Istio 強(qiáng)大的跟蹤、監(jiān)控和日志記錄可讓您深入了解服務(wù)網(wǎng)格部署。通過(guò) Istio 的監(jiān)控功能，可以真正了解服務(wù)性能如何影響上游和下游的功能，而其自定義儀表板可以提供對(duì)所有服務(wù)性能的可視性，并讓您了解該性能如何影響您的其他進(jìn)程。

Istio 的 Mixer 組件負(fù)責(zé)策略控制和遙測(cè)收集。它提供后端抽象和中介，將 Istio 的其余部分與各個(gè)基礎(chǔ)架構(gòu)后端的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)隔離開來(lái)，并為運(yùn)維提供對(duì)網(wǎng)格和基礎(chǔ)架構(gòu)后端之間所有交互的細(xì)粒度控制。

所有這些功能可以讓您可以更有效地設(shè)置、監(jiān)控和實(shí)施服務(wù)上的 SLO。當(dāng)然，最重要的是，您可以快速有效地檢測(cè)和修復(fù)問(wèn)題。

平臺(tái)支持

Istio 是獨(dú)立于平臺(tái)的，旨在運(yùn)行在各種環(huán)境中，包括跨云、內(nèi)部部署、Kubernetes、Mesos 等。您可以在 Kubernetes 上部署 Istio 或具有 Consul 的 Nomad 上部署。Istio 目前支持：

在 Kubernetes 上部署的服務(wù)
使用 Consul 注冊(cè)的服務(wù)
在虛擬機(jī)上部署的服務(wù)

集成和定制

策略執(zhí)行組件可以擴(kuò)展和定制，以便與現(xiàn)有的 ACL、日志、監(jiān)控、配額、審計(jì)等方案集成。

架構(gòu)

Istio 服務(wù)網(wǎng)格邏輯上分為數(shù)據(jù)平面和控制平面。

數(shù)據(jù)平面由一組以 sidecar 方式部署的智能代理（Envoy）組成。這些代理可以調(diào)節(jié)和控制微服務(wù)及 Mixer 之間所有的網(wǎng)絡(luò)通信。
控制平面負(fù)責(zé)管理和配置代理來(lái)路由流量。此外控制平面配置 Mixer 以實(shí)施策略和收集遙測(cè)數(shù)據(jù)。

下圖顯示了構(gòu)成每個(gè)面板的不同組件：

Istio 架構(gòu)

Envoy

Istio 使用 Envoy代理的擴(kuò)展版本，Envoy 是以 C++ 開發(fā)的高性能代理，用于調(diào)解服務(wù)網(wǎng)格中所有服務(wù)的所有入站和出站流量。Envoy 的許多內(nèi)置功能被 istio 發(fā)揚(yáng)光大，例如：

• 動(dòng)態(tài)服務(wù)發(fā)現(xiàn)
• 負(fù)載均衡
• TLS 終止
• HTTP/2 & gRPC 代理
• 熔斷器
• 健康檢查、基于百分比流量拆分的灰度發(fā)布
• 故障注入
• 豐富的度量指標(biāo)

Envoy 被部署為 sidecar，和對(duì)應(yīng)服務(wù)在同一個(gè) Kubernetes pod 中。這允許 Istio 將大量關(guān)于流量行為的信號(hào)作為屬性提取出來(lái)，而這些屬性又可以在 Mixer 中用于執(zhí)行策略決策，并發(fā)送給監(jiān)控系統(tǒng)，以提供整個(gè)網(wǎng)格行為的信息。

Sidecar 代理模型還可以將 Istio 的功能添加到現(xiàn)有部署中，而無(wú)需重新構(gòu)建或重寫代碼?？梢蚤喿x更多來(lái)了解為什么我們?cè)谠O(shè)計(jì)目標(biāo)中選擇這種方式。

Mixer

Mixer 是一個(gè)獨(dú)立于平臺(tái)的組件，負(fù)責(zé)在服務(wù)網(wǎng)格上執(zhí)行訪問(wèn)控制和使用策略，并從 Envoy 代理和其他服務(wù)收集遙測(cè)數(shù)據(jù)。代理提取請(qǐng)求級(jí)屬性，發(fā)送到 Mixer 進(jìn)行評(píng)估。

Mixer 中包括一個(gè)靈活的插件模型，使其能夠接入到各種主機(jī)環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施后端，從這些細(xì)節(jié)中抽象出 Envoy 代理和 Istio 管理的服務(wù)。

Pilot

Pilot 為 Envoy sidecar 提供服務(wù)發(fā)現(xiàn)功能，為智能路由（例如 A/B 測(cè)試、金絲雀部署等）和彈性（超時(shí)、重試、熔斷器等）提供流量管理功能。它將控制流量行為的高級(jí)路由規(guī)則轉(zhuǎn)換為特定于 Envoy 的配置，并在運(yùn)行時(shí)將它們傳播到 sidecar。

Pilot 將平臺(tái)特定的服務(wù)發(fā)現(xiàn)機(jī)制抽象化并將其合成為符合 Envoy 數(shù)據(jù)平面 API 的任何 sidecar 都可以使用的標(biāo)準(zhǔn)格式。這種松散耦合使得 Istio 能夠在多種環(huán)境下運(yùn)行（例如，Kubernetes、Consul、Nomad），同時(shí)保持用于流量管理的相同操作界面。

Citadel

Citadel 通過(guò)內(nèi)置身份和憑證管理可以提供強(qiáng)大的服務(wù)間和最終用戶身份驗(yàn)證?？捎糜谏?jí)服務(wù)網(wǎng)格中未加密的流量，并為運(yùn)維人員提供基于服務(wù)標(biāo)識(shí)而不是網(wǎng)絡(luò)控制的強(qiáng)制執(zhí)行策略的能力。從 0.5 版本開始，Istio 支持基于角色的訪問(wèn)控制，以控制誰(shuí)可以訪問(wèn)您的服務(wù)。

設(shè)計(jì)目標(biāo)

Istio 的架構(gòu)設(shè)計(jì)中有幾個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)，這些目標(biāo)對(duì)于使系統(tǒng)能夠應(yīng)對(duì)大規(guī)模流量和高性能地服務(wù)處理至關(guān)重要。

• 最大化透明度：若想 Istio 被采納，應(yīng)該讓運(yùn)維和開發(fā)人員只需付出很少的代價(jià)就可以從中受益。為此，Istio 將自身自動(dòng)注入到服務(wù)間所有的網(wǎng)絡(luò)路徑中。Istio 使用 sidecar 代理來(lái)捕獲流量，并且在盡可能的地方自動(dòng)編程網(wǎng)絡(luò)層，以路由流量通過(guò)這些代理，而無(wú)需對(duì)已部署的應(yīng)用程序代碼進(jìn)行任何改動(dòng)。在 Kubernetes中，代理被注入到 pod 中，通過(guò)編寫 iptables 規(guī)則來(lái)捕獲流量。注入 sidecar 代理到 pod 中并且修改路由規(guī)則后，Istio 就能夠調(diào)解所有流量。這個(gè)原則也適用于性能。當(dāng)將 Istio 應(yīng)用于部署時(shí)，運(yùn)維人員可以發(fā)現(xiàn)，為提供這些功能而增加的資源開銷是很小的。所有組件和 API 在設(shè)計(jì)時(shí)都必須考慮性能和規(guī)模。
• 增量：隨著運(yùn)維人員和開發(fā)人員越來(lái)越依賴 Istio 提供的功能，系統(tǒng)必然和他們的需求一起成長(zhǎng)。雖然我們期望繼續(xù)自己添加新功能，但是我們預(yù)計(jì)最大的需求是擴(kuò)展策略系統(tǒng)，集成其他策略和控制來(lái)源，并將網(wǎng)格行為信號(hào)傳播到其他系統(tǒng)進(jìn)行分析。策略運(yùn)行時(shí)支持標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展機(jī)制以便插入到其他服務(wù)中。此外，它允許擴(kuò)展詞匯表，以允許基于網(wǎng)格生成的新信號(hào)來(lái)執(zhí)行策略。
• 可移植性：使用 Istio 的生態(tài)系統(tǒng)將在很多維度上有差異。Istio 必須能夠以最少的代價(jià)運(yùn)行在任何云或預(yù)置環(huán)境中。將基于 Istio 的服務(wù)移植到新環(huán)境應(yīng)該是輕而易舉的，而使用 Istio 將一個(gè)服務(wù)同時(shí)部署到多個(gè)環(huán)境中也是可行的（例如，在多個(gè)云上進(jìn)行冗余部署）。
• 策略一致性：在服務(wù)間的 API 調(diào)用中，策略的應(yīng)用使得可以對(duì)網(wǎng)格間行為進(jìn)行全面的控制，但對(duì)于無(wú)需在 API 級(jí)別表達(dá)的資源來(lái)說(shuō)，對(duì)資源應(yīng)用策略也同樣重要。例如，將配額應(yīng)用到 ML 訓(xùn)練任務(wù)消耗的 CPU 數(shù)量上，比將配額應(yīng)用到啟動(dòng)這個(gè)工作的調(diào)用上更為有用。因此，策略系統(tǒng)作為獨(dú)特的服務(wù)來(lái)維護(hù)，具有自己的 API，而不是將其放到代理/sidecar 中，這容許服務(wù)根據(jù)需要直接與其集成。
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