一、简介
在本教程中，我们将介绍服务网格架构的基础知识，并了解它如何补充分布式系统架构。
我们将主要关注 Istio，它是服务网格的实现。在此过程中，我们将介绍 Istio 的核心架构，并了解如何在 Kubernetes 上从中受益。
2.什么是服务网格？
在过去的几十年里，我们已经看到单体应用程序如何开始分解为更小的应用程序。它 随着云原生计算和微服务架构而受到前所未有的欢迎 。此外，像Docker这样的容器化技术和像Kubernetes这样的编排系统只能在这方面提供帮助。
虽然在 Kubernetes 这样的分布式系统上采用微服务架构有很多优点， 但它也有一定的复杂性 。由于分布式服务必须相互通信，因此我们必须考虑发现、路由、重试和故障转移。
我们还必须考虑其他一些问题，例如安全性和可观察性：
现在，在每个服务中构建这些通信功能可能非常乏味——当服务环境不断扩大且通信变得复杂时更是如此。这正是服务网格可以帮助我们的地方。基本上， 服务网格免除了管理分布式软件系统内所有服务间通信的责任 。
服务网格能够做到这一点的方式是通过一系列网络代理。本质上，服务之间的请求是通过与服务一起运行但位于基础设施层外部的代理进行路由的：
这些 代理基本上为服务创建了一个网状网络 ——因此得名服务网格！通过这些代理，服务网格能够控制服务间通信的各个方面。因此，我们可以用它来解决分布式计算的八个谬误，这是一组描述我们经常对分布式应用程序做出的错误假设的断言。
3. 服务网格的特点
现在让我们了解服务网格可以为我们提供的一些功能。请注意，实际功能列表取决于服务网格的实现。但是，一般来说，我们应该期待所有实现中的大部分功能。
我们可以将这些功能大致分为三类：流量管理、安全性和可观察性。
3.1.流量管理
服务网格的基本功能之一是流量管理。这包括动态服务发现和路由。它还 支持一些有趣的用例，例如流量阴影和流量分割 。这些对于执行金丝雀发布和 A/B 测试非常有用。
由于所有服务到服务的通信都是由服务网格处理的， 因此它还支持一些可靠性功能 。例如，服务网格可以提供重试、超时、速率限制和断路器。这些开箱即用的故障恢复功能使通信更加可靠。
3.2.安全
服务网格通常还 处理服务间通信的安全方面 。这包括通过相互 TLS (MTLS) 实施流量加密、通过证书验证提供身份验证以及通过访问策略确保授权。
服务网格中还可能有一些有趣的安全用例。例如， 我们可以实现网络分段 ，允许某些服务进行通信，同时禁止其他服务。此外，服务网格可以为审计需求提供精确的历史信息。
3.3.可观察性
鲁棒的可观察性是 处理分布式系统复杂性的基础要求 。由于服务网格处理所有通信，因此它非常适合提供可观察性功能。例如，它可以提供有关分布式跟踪的信息。
服务网格 可以生成许多指标，例如延迟、流量、错误和饱和度 。此外，服务网格还可以生成访问日志，为每个请求提供完整记录。这些对于理解单个服务以及整个系统的行为非常有用。
4.Istio简介
Istio是 服务网格的开源实现， 最初由 IBM、Google 和 Lyft 开发。它可以透明地分层到分布式应用程序上，并提供服务网格的所有优势，例如流量管理、安全性和可观察性。
它设计用于各种部署，例如本地部署、云托管、Kubernetes 容器以及在虚拟机上运行的服务程序。尽管 Istio 是平台中立的 ，但它经常与部署在 Kubernetes 平台上的微服务一起使用。
从根本上讲，Istio 的工作原理是部署Envoy 的扩展版本作为每个微服务的代理：
该 代理网络构成了 Istio 架构的数据平面 。这些代理的配置和管理是从控制平面完成的：
控制平面基本上是服务网格的大脑 。它在运行时为数据平面中的 Envoy 代理提供发现、配置和证书管理。
当然，只有当我们拥有大量相互通信的微服务时，我们才能意识到 Istio 的好处。在这里，sidecar 代理在专用基础设施层中形成了一个复杂的服务网格：
Istio 在与外部库和平台集成方面非常灵活。例如，我们可以将 Istio 与外部日志平台、遥测或策略系统集成。
5. 了解 Istio 组件
我们已经看到Istio架构由数据平面和控制平面组成。此外，还有几个核心组件使 Istio 能够发挥作用。
在本节中，我们将详细介绍这些核心组件。
5.1.数据平面
Istio 的数据平面主要 包含 Envoy 代理的扩展版本 。 Envoy 是一个开源边缘和服务代理，有助于将网络问题与底层应用程序解耦。应用程序只需向 localhost 发送和接收消息，无需了解网络拓扑。
Envoy 的核心是一个运行在OSI 模型的 L3 和 L4 层的网络代理。它 通过使用一系列可插入网络过滤器 来执行连接处理。此外，Envoy 支持基于 HTTP 流量的附加 L7 层过滤器。此外，Envoy 对 HTTP/2 和 gRPC 传输提供一流的支持。
Istio 作为服务网格提供的许多功能实际上是由 Envoy 代理的底层内置功能启用的：
- 流量控制：Envoy 通过针对 HTTP、gRPC、WebSocket 和 TCP 流量的丰富路由规则，实现细粒度流量控制的应用
- 网络弹性：Envoy 包括对自动重试、断路和故障注入的开箱即用支持
- 安全性：Envoy 还可以强制执行安全策略并对底层服务之间的通信应用访问控制和速率限制
Envoy 与 Istio 配合良好的另一个原因是它的可扩展性。 Envoy 提供了基于 WebAssembly 的可插拔扩展模型 。这在自定义策略执行和遥测生成中非常有用。此外，我们还可以使用基于 Proxy-Wasm 沙箱 API 的 Istio 扩展来扩展 Istio 中的 Envoy 代理。
5.2.控制平面
正如我们之前所看到的，控制平面负责管理和配置数据平面中的 Envoy 代理。控制平面中负责此操作的组件是 istiod 。在这里， istiod 负责 将高级路由规则和流量控制行为转换为 Envoy 特定的配置 ，并在运行时将它们传播到 sidecar。
如果我们回想一下 Istio 控制平面的架构，我们会注意到它曾经是一组协同工作的独立组件。它由用于服务发现的 Pilot、用于配置的 Galley、用于证书生成的 Citadel 和用于可扩展性的 Mixer 等组件组成。由于复杂性，这些 单独的组件被合并为一个名为 istiod 的组件 。
在核心上， istiod 仍然使用与之前各个组件相同的代码和 API。例如，Pilot 负责抽象特定于平台的服务发现机制，并将它们合成为 sidecar 可以使用的标准格式。因此，Istio 可以支持 Kubernetes 或虚拟机等多种环境的发现。
此外， istiod 还提供安全性，通过内置身份和凭证管理实现强大的服务到服务和最终用户身份验证。此外，通过 istiod ，我们可以根据服务身份实施安全策略。进程 istiod 还充当证书颁发机构 (CA) 并生成证书以促进数据平面中的相互 TLS (MTLS) 通信。
6.Istio 的工作原理
我们已经了解了服务网格的典型特征是什么。此外，我们还了解了 Istio 架构及其核心组件的基础知识。现在，是时候了解 Istio 如何通过其架构中的核心组件提供这些功能了。
我们将重点关注之前介绍过的相同类别的功能。
6.1.交通管理
我们可以使用 Istio 流量管理 API 对服务网格中的流量进行精细控制。我们可以使用这些 API 将我们自己的流量配置添加到 Istio。此外，我们可以使用 Kubernetes 自定义资源定义 (CRD) 来定义 API 资源。帮助我们控制流量路由的关键 API 资源是虚拟服务和目的地规则：
基本上， 虚拟服务让我们可以配置如何将请求路由到 Istio 服务网格中的服务 。因此，虚拟服务由一个或多个按顺序评估的路由规则组成。评估虚拟服务的路由规则后，将应用目标规则。目的地规则帮助我们控制到达目的地的流量——例如，按版本对服务实例进行分组。
6.2.安全
Istio 的安全性始于为每项服务提供强身份。与每个 Envoy 代理一起运行的 Istio 代理与 istiod 一起自动执行密钥和证书轮换：
Istio 提供两种类型的身份验证——对等身份验证和请求身份验证 。对等身份验证用于服务到服务的身份验证，其中 Istio 提供双向 TLS 作为全栈解决方案。请求身份验证用于最终用户身份验证，其中 Istio 使用自定义身份验证提供程序或 OpenID Connect (OIDC) 提供程序提供 JSON Web 令牌 (JWT) 验证。
Istio 还允许我们通过简单地对服务应用授权策略来强制执行对服务的访问控制。授权策略对 Envoy 代理中的入站流量实施访问控制。有了这个，我们可以在各个级别应用访问控制：网格、命名空间和服务范围。
6.3.可观察性
Istio 为网格内的所有服务通信生成详细的遥测数据，例如指标、分布式跟踪和访问日志。 Istio 生成一组丰富的代理级指标、面向服务的指标和控制平面指标 。
早些时候，Istio 遥测架构将 Mixer 作为核心组件。但从 Telemetry v2 开始，Mixer 提供的功能被 Envoy 代理插件取代：
此外，Istio 通过 Envoy 代理生成分布式跟踪。 Istio 支持许多跟踪后端，例如Zipkin 、 Jaeger 、 Lightstep和Datadog 。我们还可以控制轨迹生成的采样率。此外，Istio 还以一组可配置的格式生成服务流量的访问日志。
7. 实践 Istio
现在我们已经了解了足够的背景知识，我们准备好看看 Istio 的实际应用了。首先，我们将在 Kubernetes 集群中安装 Istio。此外，我们将使用一个简单的基于微服务的应用程序来演示 Istio on Kubernetes 的功能。
7.1.安装
安装 Istio 的方法有多种，但最简单的方法是下载并提取适用于 Windows 等特定操作系统的最新版本。提取的包在 bin 目录中包含 istioctl 客户端二进制文件。我们 可以使用 istioctl 在目标 Kubernetes 集群上安装 Istio ：
istioctl install --set profile=demo -y
这将使用演示配置文件在默认 Kubernetes 集群上安装 Istio 组件。我们还可以使用任何其他特定于供应商的配置文件来代替演示。
最后，当我们在此 Kubernetes 集群上部署任何应用程序时，我们需要 指示 Istio 自动注入 Envoy sidecar 代理 ：
kubectl label namespace default istio-injection=enabled
我们在这里使用 kubectl ，假设我们的机器上已经有像 Minikube 这样的 Kubernetes 集群和 Kubernetes CLI kubectl 。
7.2.申请样本
为了演示的目的，我们将想象一个非常简单的在线下订单应用程序。该应用程序包含三个微服务，它们相互交互以满足最终用户的订单请求：
我们不会详细介绍这些微服务，但使用Spring Boot 和 REST API创建它们可以相当简单。最重要的是，我们为这些微服务创建了一个 Docker 镜像，以便我们可以将它们部署在 Kubernetes 上。
7.3.部署
在 Minikube 等 Kubernetes 集群上部署容器化工作负载相当简单。我们将使用 部署 和 服务 资源类型来声明和访问工作负载。通常，我们在 YAML 文件中定义它们：
apiVersion: apps/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
name: order-service
namespace: default
spec:
replicas: 1
template:
metadata:
labels:
app: order-service
version: v1
spec:
containers:
- name: order-service
image: kchandrakant/order-service:v1
resources:
requests:
cpu: 0.1
memory: 200
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: order-service
spec:
ports:
- port: 80
targetPort: 80
protocol: TCP
name: http
selector:
app: order-service
这是 order-service 的 部署 和 服务 的非常简单的定义。同样，我们可以为 inventory-service 和 Shipping-service 定义 YAML 文件。
使用 kubectl 部署这些资源也相当简单：
kubectl apply -f booking-service.yaml -f inventory-service.yaml -f shipping-service.yaml
由于我们已经为默认命名空间启用了 Envoy sidecar 代理的自动注入，因此一切都会为我们处理好。或者，我们可以使用 istioctl 的 kube-inject 命令手动注入 Envoy sidecar 代理。
7.4.访问应用程序
现在，Istio 主要负责处理所有网格流量。因此， 默认情况下不允许进出网格外部的任何流量 。 Istio 使用网关来管理网格的入站和出站流量。这样，我们就可以精确控制进入或离开网格的流量。 Istio 提供了一些预配置的网关代理部署： istio-ingressgateway 和 istio-egressgateway 。
我们将为我们的应用程序创建一个网关和一个虚拟服务来实现这一点：
apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: Gateway
metadata:
name: booking-gateway
spec:
selector:
istio: ingressgateway
servers:
- port:
number: 80
name: http
protocol: HTTP
hosts:
- "*"
---
apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: VirtualService
metadata:
name: booking
spec:
hosts:
- "*"
gateways:
- booking-gateway
http:
- match:
- uri:
prefix: /api/v1/booking
route:
- destination:
host: booking-service
port:
number: 8080
在这里，我们使用 Istio 提供的默认入口控制器。此外，我们定义了一个虚拟服务来将我们的请求路由到 booking-service 。
同样， 我们也可以为网格的出站流量定义一个出口网关 。
8. Istio 的常见用例
现在，我们已经了解了如何使用 Istio 在 Kubernetes 上部署简单的应用程序。但是，我们仍然没有利用 Istio 为我们提供的任何有趣的功能。在本节中，我们将介绍服务网格的一些常见用例，并了解如何使用 Istio 为我们的简单应用程序实现它们。
8.1.请求路由
我们可能希望以特定方式处理请求路由有几个原因。例如，我们 可能部署微服务的多个版本（例如 运输服务） ，并且希望仅将一小部分请求路由到新版本。
我们可以利用虚拟服务的路由规则来实现这一点：
apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: VirtualService
metadata:
name: shipping-service
spec:
hosts:
- shipping-service
http:
- route:
- destination:
host: shipping-service
subset: v1
weight: 90
- destination:
host: shipping-service
subset: v2
weight: 10
---
apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: DestinationRule
metadata:
name: shipping-service
spec:
host: shipping-service
subsets:
- name: v1
labels:
version: v1
- name: v2
labels:
version: v2
路由规则还允许我们根据标头参数等属性定义匹配条件。此外，目的地字段指定与条件匹配的流量的实际目的地。
8.2.熔断
断路器基本上是一种软件 设计模式，用于检测故障并封装防止故障进一步级联的逻辑 。这有助于创建弹性微服务应用程序，限制故障和延迟峰值的影响。
在 Istio 中，我们可以使用 DestinationRule 中的 TrafficPolicy 配置来在调用 inventory-service 等服务时应用熔断：
apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: DestinationRule
metadata:
name: inventory-service
spec:
host: inventory-service
trafficPolicy:
connectionPool:
tcp:
maxConnections: 1
http:
http1MaxPendingRequests: 1
maxRequestsPerConnection: 1
outlierDetection:
consecutive5xxErrors: 1
interval: 1s
baseEjectionTime: 3m
maxEjectionPercent: 100
在这里，我们将 DestinationRule 配置为 maxConnections 为 1、 httpMaxPendingRequests 为 1、 maxRequestsPerConnection 为 1。这实际上意味着，如果并发请求数超过 1，断路器将开始捕获某些请求。
8.3.启用相互 TLS
相互认证是指 在TLS等认证协议中，两方同时相互认证的 情况。默认情况下，带有代理的服务之间的所有流量都使用 Istio 中的相互 TLS。但是，没有代理的服务仍然继续接收纯文本流量。
虽然 Istio 自动将具有代理的服务之间的所有流量升级为相互 TLS，但这些服务仍然可以接收纯文本流量。我们可以选择使用 PeerAuthentication 策略在网格范围内强制执行双向 TLS：
apiVersion: "security.istio.io/v1beta1"
kind: "PeerAuthentication"
metadata:
name: "default"
namespace: "istio-system"
spec:
mtls:
mode: STRICT
我们还可以选择在每个命名空间或服务而不是网格范围内强制执行相互 TLS。但是， 特定于服务的 PeerAuthentication 策略优先于命名空间范围的策略 。
8.4.使用 JWT 进行访问控制
JSON Web Token (JWT)是 一种用于创建数据的标准，其有效负载包含断言许多声明的 JSON 。这已被广泛接受，用于在身份提供者和服务提供者之间传递经过身份验证的用户的身份和标准或自定义声明。
我们可以在 Istio 中启用授权策略，以允许访问基于 JWT 的 预订服务 等服务：
apiVersion: security.istio.io/v1beta1
kind: AuthorizationPolicy
metadata:
name: require-jwt
namespace: default
spec:
selector:
matchLabels:
app: booking-service
action: ALLOW
rules:
- from:
- source:
requestPrincipals: ["[email protected]/[email protected]"]
在这里， AuthorizationPolicy 强制所有请求都具有有效的 JWT，并将 requestPrincipal 设置为特定值。 Istio 通过组合 JWT 的声明 iss 和 sub 创建 requestPrincipal 属性。
9.事后思考
现在，我们已经看到像 Istio 这样的服务网格如何让我们的生活更轻松地处理微服务等分布式架构中的许多常见问题。但无论如何， Istio 是一个复杂的系统，增加了最终部署的复杂性 。与其他所有技术一样，Istio 并不是灵丹妙药，必须谨慎使用。
9.1.我们应该始终使用服务网格吗？
虽然我们已经看到了使用服务网格的足够理由，但让我们举一些可能促使我们反对使用它的原因：
- 服务网格处理所有服务到服务的通信，但需要支付部署和操作服务网格的额外成本。对于更简单的应用程序，这可能不合理
- 由于我们非常习惯于处理其中一些问题，例如应用程序代码中的断路，因此可能会导致服务网格中的重复处理
- 增加对服务网格等外部系统的依赖可能会不利于应用程序的可移植性，特别是在服务网格没有行业标准的情况下
- 由于服务网格通常通过代理拦截网格流量来工作，因此它可能会增加请求的不良延迟
- 服务网格添加了很多需要精确处理的额外组件和配置；这需要专业知识并增加学习曲线
- 最后，我们可能最终会将操作逻辑（应该存在于服务网格中）与业务逻辑（不应存在于服务网格中）混合在一起
因此，正如我们所看到的，服务网格的故事并不全是关于好处的，但这并不意味着它们不是真的。对我们来说重要的是 仔细评估我们的需求和应用程序的复杂性，然后权衡服务网格的好处 及其增加的复杂性。
9.2. Istio 的替代品是什么？
虽然 Istio 非常受欢迎并且得到了一些行业领导者的支持，但它肯定不是唯一的选择。虽然我们无法在这里进行彻底的比较，但让我们来看看其中的几个选项：Linkerd 和 Consul。
Linkerd 是一个为 Kubernetes 平台创建的开源服务网格 。它也相当受欢迎，目前在CNCF中具有孵化项目的地位。它的工作原理与 Istio 等任何其他服务网格类似。它还利用 TCP 代理来处理网格流量。 Linkerd 使用一个用 Rust 编写的微代理，称为 Linkerd 代理。
总体而言，考虑到 Linkerd 仅支持 Kubernetes，因此它比 Istio 简单。但是，除此之外，Linkerd 中可用的功能列表与 Istio 中可用的功能列表非常相似。 Linkerd 的核心架构也与 Istio 非常相似 。基本上，Linkerd 包含三个主要组件：用户界面、数据平面和控制平面。
Consul 是HashiCorp的 服务网格的开源实现 。它的优点是可以与 HashiCorp 的其他基础设施管理产品套件很好地集成，以提供更广泛的功能。 Consul 中的数据平面可以灵活地支持代理以及本机集成模型。它带有内置代理，但也可以与 Envoy 很好地配合使用。
除了 Kubernetes 之外，Consul 还可以与Nomad等其他平台配合使用。 Consul 的工作原理是在每个节点上运行 Consul 代理来执行健康检查。这些代理与存储和复制数据的一台或多台 Consul 服务器通信。虽然它提供了 Istio 等服务网格的所有标准功能， 但它是一个部署和管理更为复杂的系统 。
10. 结论
总而言之，在本教程中，我们了解了服务网格模式的基本概念及其为我们提供的功能。我们特别了解了 Istio 的详细信息。这涵盖了 Istio 的核心架构及其基本组件。此外，我们还详细介绍了一些常见用例的安装和使用 Istio 的细节。