Service Mesh 开源实现之 Istio 架构概览

来源：无敌码农
作者：无敌码农

今天的文章将从更宏观的概念和架构入手，来全面介绍Istio这一最著名的服务网格开源解决方案，以求从整体上将Istio实现服务网格的核心原理阐述清楚！

Istio中的关键概念

要学习Istio需要先明确以下几个关键术语。

1.容器/容器镜像

进入到云原生时代的服务网格架构，应用的发布、部署都是围绕Kubernetes为代表的容器基础设施展开的。这就需要对容器及容器镜像的概念有清晰的理解。

实际上，容器的普及要归功于Docker技术的流行，而从本质上说容器就是运行在操作系统中的，受资源隔离限制的一组进程，也称为“容器运行时”。它可以将用户打包的代码及其所赖的关系完整的还原出来。通过容器化运行的应用程序，可以更快、更可靠地运行，而不受具体计算环境的影响。

容器镜像，是容器化的重要介质和载体。从形式上来说，它就是一个轻量级的、独立的、可执行的软件包文件，包括了运行应用程序所需要的一切：代码、工具、系统库及各种设置。

容器技术的出现，彻底颠覆了应用构建、发布及运行的方式，目前已经成为服务端应用发布的事实标准。后续要聊到的Istio服务网格技术，无论是“网格基础组件”还是“应用程序”，都是以容器的方式运行在Kubernetes容器平台之上的。

2.微服务

微服务是一种架构风格，它将一个庞大的单体服务拆分为一组松散耦合的微服务集合，该微服务集合提供了与单个单体应用相同的功能。但微服务可以独立于其他服务进行独立的开发和部署。此外，微服务是围绕业务能力组织的，可以由较小的团队拥有，因此，在开发/部署上能够实现更小、更独立的迭代。

目前主要的微服务架构解决方案，以Spring Cloud为代表的微服务架构体系是主流；但随着云原生技术概念的流行，以Istio为代表的Service Mesh（服务网格）微服务架构方案也在逐步得到推广。

3.控制平面

在以Spring Cloud为代表的传统微服务架构中，应用本身与服务治理逻辑是耦合在一起的。而在Service Mesh（服务网格）方案中，服务治理规则的管理、服务治理行为、应用本身都是互相独立，这就使得应用可以专注于业务，而服务治理逻辑则完全可以抽离出来由运维团队进行统一的管理。

像这种专门负责服务治理规则管理的逻辑或组件，在Service Mesh（服务网格）架构中就叫做“控制平面“。“控制平面”主要由API和工具组成，用于管理服务治理行为（数据平面）。服务网格运维人员可以操控控制平面，以配置服务网格中的数据平面行为。例如，将流量配置作用于控制平面——翻译配置并将其推送到数据平面。

4.数据平面

在Service Mesh（服务网格）中，数据平面就是具体实现服务治理行为的代理。在Istio中数据平面由负责路由、负载均衡、服务发现、健康检查和授权/认证的Envoy代理组成。这些代理在每个服务实例的旁边运行（在k8s中，与应用容器运行在同一个Pod），拦截所有传入和传出的用户流量，并在这一过程中根据控制平面下发的服务治理规则进行流量管理。

5.Envoy

在Istio中，数据平面就是由Envoy代理实现的。它是一个现代的、高性能边缘的小型L7代理。Envoy是为大型现代微服务架构设计的，可以与Nginx和HAProxy等负载均衡器相匹配。

6.代理

在网络中，代理是一个中间服务器，位于客户端和服务端之间，可以管理请求和响应。在Istio服务网格情况下，代理（Envoy）运行在每个应用实例的前面。当向应用程序发起请求时，代理（Envoy）会拦截该请求，并将其转发给应用程序实例。同样地，当应用程序实例试图发出请求时，代理（Envoy）也会拦截出站请求并将其发送到目的地。

由于代理（Envoy）拦截了所有请求，所以它可以修改请求，从而实现流量路由、故障注入、授权等功能。

7.L7代理

L7（第7层）代理在OSI模型的应用层工作。在这一层，代理可以处理每个请求的内容。例如Http就是一个流行的L7协议。因为可以访问请求的数据，所以L7代理（Envoy）就可以根据请求的内容（URL、Cookies等）做出负载均衡的决定。

Istio的架构及模块组成

Service Mesh（服务网格）的架构方式为我们提供了一种统一的方式来连接、保护和观察微服务。网格内的代理（如Envoy）可以捕获网格内所有的通信请求和指标——每一次失败或成功的调用、重试或超时的请求都可以被捕获，并被可视化和报警。

这种将通信逻辑从业务和应用逻辑中分离出来的架构方式，可以使开发人员专注于业务逻辑，而服务网格运维人员则专注于服务网格配置。

前面通过对几个关键术语的解释，以及对服务网格架构好处的介绍，相信大家或多或少理解了什么是服务网格。接下来将重点介绍Istio这一开源的服务网格实现。

从宏观上看，Istio主要支持以下功能：

1.流量管理

流量管理是Istio最核心的功能，通过配置，可以控制服务之间的流量——例如设置断路器、超时或重试等服务治理机制，在Istio中都可以通过简单的配置改变来完成。

2.可观察性

Istio可以通过跟踪、监控和记录服务间的请求来更好地实现对服务的监控，方便我们了解服务运行情况，并及时发现和修复问题。

3.安全性

Istio可以在代理层面来管理认证、授权和通讯的加密，而无需对应用本身造成侵入。而这些安全配置操作只需要通过快速的配置变更即可完成。

接下来，我们看下Istio的架构组成。如下图所示：

如上图所示，Istio实现服务网格，仍然遵循了将组件分离成“控制平面”和“数据平面”这一常见的分布式系统构建模式。

Istio中的数据平面由Envoy代理组成，控制服务之间的通信。Envoy是一个用C++开发的高性能代理。Istio将Enovy代理作为一个sidecar容器注入到应用容器的旁边，然后拦截该服务的所有入站和出站流量。而这些注入应用容器旁边的Enovy代理组合在一起就构成了Istio服务网格的数据平面。

Istiod则是Istio的控制平面组件，主要提供服务发现、配置和证书管理等功能。Istiod采用YAML文件格式来编写流量控制规则，并将其转换为Envoy的可操作配置，之后通过xDS协议将配置传播给网格中的所有sidecar代理。

Istiod主要由Pilot、Citadel、Galley这三个组件组成。其中Pilot抽象了特定平台的服务发现机制（如Kubernetes、Consul或VM），并将其转换为可以被sidecar使用的标准格式。Citadel则是Istio的核心安全组件，实现证书授权、证书生成，实现数据平面中sidecar代理之间的mTLS安全通信。

而Galley则主要服务配置管理，包括验证配置信息的格式和内容正确性，并将这些配置信息提供给Pilot等其他控制平面组件使用。

Istio的流量管理实现

流量管理是Istio服务网格的核心能力。通过Istio的流量管理功能，演示了在服务网格中实现灰度发布的具体方法。接下来，将从原理层面来总结下Istio实现流量管理的核心逻辑。

Istio流量管理示意图如下：

如上图所示，要在Istio服务网格中实现流量管理，需要通过VirtualService（虚拟服务）及DestinationRule（路由规则）资源来管理流量路由规则。

而具体的路由规则流量的执行由Istio网关资源来实现。其中Ingress Gateway（入口网关）和Egress Gateway（出口网关）是Istio服务网格组件的一部分，这两个网关都运行着一个Envoy代理实例，它们在服务网格的边缘作为负载均衡器运行，入口网关接收入站连接，而出口网关则接收从集群出去的连接。

需要注意，这里理解入口网关和出口网关的概念不要狭义的理解为就是Istio服务网格的边缘入口和出口。对于Istio服务网格来说除了外部流量的进出可以通过VitrualService（虚拟服务）关联Gateway（网关资源）来实现流量路由外，网格之间也可以通过该方式来实现流量的路由。

所以，在使用Istio服务网格来实现微服务的流量管理时，可以根据场景来分别创建针对外部流量的Gateway+VirtualService资源，以及针对具体微服务网格间流量的Gateway+VirtualService资源，并通过VitrualService随时修改相应的路由规则。

而对于Gateway网格资源的创建来说，则根据是控制入口流量还是出口流量来选择关联Ingress Gateway（入口网关）还是Egress Gateway（出口网关）。

后记