云原生｜Istio是什么？快速了解服务网格实践方案

在计算机技术不断进步中，为了追寻更好的性能，可用性，稳定性。从单体架构到分布式架构再到微服务，随着系统规模不断扩大，技术门槛也在不断提高，服务注册，服务发现，负载均衡，熔断，限流等技术词汇的出现都是解决某一问题的副产物。在 istio 最新的版本中可以在没有 sidecar 的情况下运行，sidecar 提供了服务网格的最初模式，在过去十几年的云原生发展中取得巨大成功，但不可避免的是：sideca

神州数码云基地

1155人浏览 · 2024-10-16 14:25:45

神州数码云基地 · 2024-10-16 14:25:45 发布

一、什么是服务网格？

服务网格一词最早出现于 William Morgan 的博文《What’s a service mesh？And why do I need one?》

服务网格是一个专门用于处理服务通讯的基础设施层。它可以在云原生应用组成的复杂拓扑结构下进行可靠的请求传送。在实践中，它是一组和应用服务部署在一起的轻量级网络代理，对应用服务透明。

当TCP/IP协议出现以后，机器之间的网络通信不再是问题，网线蛛丝般蔓延开来，互联网的基础设施像自然资源一般存在。在计算机技术不断进步中，为了追寻更好的性能，可用性，稳定性。从单体架构到分布式架构再到微服务，随着系统规模不断扩大，技术门槛也在不断提高，服务注册，服务发现，负载均衡，熔断，限流等技术词汇的出现都是解决某一问题的副产物。

从开发者角度来说，非业务逻辑应该从应用中剥离开来，即使各种微服务框架中提供分布式解决方案，维护和升级依然会在某一时段内影响应用正常运行。随着容器技术应运而生，编排技术极大推动了云原生技术的发展，微服务数量爆发性增长，虽然将服务之间的通信早已下沉到基础设施，但网络拓扑变得更加复杂且难以观测。

服务网格在 Kubernetes 的基础上建立可编程的网络，网络不再是看不见摸不着又重要的基础设施，它与 Kubernetes 和传统工作负载配合使用，带来了通用的流量管理和可观测性，以及安全性。

于是工程师们能使用服务网格更轻松实现金丝雀部署，A/B测试，负载均衡，故障恢复…而且它并不局限于单个集群，就像官方描述的那样：在 Kubernetes 或 VM、多云、混合或本地上运行的服务都可以包含在单个网格中。

二、Istio

Istio 由Google、IBM 和 Lyft 创立，它与Kubernetes 和 Prometheus 等项目并列，是最受欢迎的服务网格解决方案，也是现在最快毕业的 CNCF 项目。

Istio 分为数据平面和控制平面，数据平面由 Envoy 组成，这个由 C++ 开发的高性能七层代理与 Nginx 的技术架构相似，代理服务用于控制微服务之间的网络通信，相当于给每个 Pod 分配一个代理；控制平面则用于管理/配置规则策略，这种方式可以让 Istio 完成细颗粒度的流量控制，故障注入，安全性策略和各种身份认证……

架构图来自istio官网：

Istio 提供两种数据平面的模式：

1.Sidecar 模式，它会与您在集群中启动的每个 Pod 一起部署一个 Envoy 代理，或者与在虚拟机上运行的服务一同运行。

2.Ambient 模式，使用每个节点的四层代理，并且可选地使用每个命名空间的 Envoy 代理来实现七层功能。

自 Istio 发布以来就基于 Sidecar 模式构建，从泛用性来说本篇会着重介绍 Sidecar 模式，因为该模式容易理解且经历过时间的验证。

三、虚拟服务和目标规则

虚拟服务和目标规则是 Istio 流量路由功能的核心模块。虚拟服务这一概念是为了增强流量管理的灵活性和有效性，目的就是为了解耦客户端请求的目标地址与实际响应的载体，这也符合计算机领域的一贯做法：增加抽象层来解耦。

试想一下，如果没有虚拟服务，Envoy 将会沿用 Kubernetes 的默认网络策略，即轮询的负载均衡策略分发请求。这会增加更多的成本，比如在A/B测试中可能要创建更多的 SVC 或 Ingress 以不同的路由进行测试；如果配置不用服务版本的流量百分比路由就更麻烦了，需要按照流量比例部署多个副本以达到其目的。

使用虚拟服务，可以为一个或多个主机名指定流量行为，在虚拟服务中使用路由规则就是告诉 Envoy 如何将流量传递到适合的目标，这点很像 Nginx 的 Conf 配置，但要更为强大。如果想要将流量路由到不同的版本，则可以配置百分比调用到某个目标，再通过逐步增加流量比例完成金丝雀发布，这对于用户来说是无感知的。流量路由完全独立于实例部署，这意味着工程师可以创建任意流量路由来实现更为复杂的操作，相比直接使用 Kubernetes 只支持实例缩放的流量分发，要简单得多。

#命名空间标记
kubectl label namespace test istio-injection=enabled

#准备一个Nginx的Pod及Service
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: demo-nginx
  labels:
    app.kubernetes.io/name: demo-nginx
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx:latest
    ports:
      - containerPort: 80
        name: http-web-svc

---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-service
spec:
  selector:
    app.kubernetes.io/name: demo-nginx
  ports:
  - name: name-of-service-port
    protocol: TCP
    port: 80
    targetPort: http-web-svc
    
    
---
apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: Gateway
metadata:
  name: nginx-gateway
spec:
  selector:
    istio: ingressgateway # use istio default controller
  servers:
  - port:
      number: 80
      name: http
      protocol: HTTP
    hosts:
    - '*'
    
---
apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: VirtualService
metadata:
  name: nginx
spec:
  hosts:
  - '*'
  gateways:
  - nginx-gateway
  http:
  - match:
    - uri:
        exact: /
    route:
    - destination:
        host: nginx-service
        port:
          number: 80

为了方便演示，可以直接将 istio 的 ingressgateway 更改为 NodePort 模式

kubectl editsvc istio-ingressgateway -n istio-system

当通过curl 命令请求 istio-gateway 地址就变成了curl IP + {ingressgatewayProt}

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Welcome to nginx!</title>
<style>
html { color-scheme: light dark; }
body { width: 35em; margin: 0 auto;
font-family: Tahoma, Verdana, Arial, sans-serif; }
</style>
</head>
<body>
<h1>Welcome to nginx!</h1>
<p>If you see this page, the nginx web server is successfully installed and
working. Further configuration is required.</p>

<p>For online documentation and support please refer to
<a href="http://nginx.org/">nginx.org</a>.<br/>
Commercial support is available at
<a href="http://nginx.com/">nginx.com</a>.</p>

<p><em>Thank you for using nginx.</em></p>
</body>
</html

上述虚拟服务中包含了[路由规则]，这是用来描述匹配条件和路由行为，当匹配到/时会 destination 按照虚拟服务的路由规则像指定的 Service 转发流量。这里要注意的是：destination 的 host 必须是存在于 istio 服务注册中心的实际目标地址。

路由的规则是从上到下的顺序进行优先级排序，这点很像代码，一般情况下在构建路由规则时都会提供一个默认的规则，以确保流量在经过虚拟服务时至少能匹配到一条路由规则。

更多的路由规则可以在[官方文档]中找到。

官方文档：https://istio.io/latest/zh/docs/reference/config/networking/virtual-service/#HTTPMatchRequest

在代理前端服务时，比较常见的是需要虚构出一个动态路由，在 istio 中可以通过配置反向代理对进入服务的 URL 进行重写：

apiVersion: networking.istio.io/v1beta1
kind: VirtualService
metadata:
  name: nginx
spec:
  gateways:
  - nginx-gateway
  hosts:
  - '*'
  http:
  - match:
    - uri:
        prefix: /v1/
    - uri:
        prefix: /v2/
    rewrite:
      uri: /
    route:
    - destination:
        host: nginx-service
        port:
          number: 80

使用 rewirte 中的 uri 替换 match 中的 uri 这步操作是强绑定的，只要匹配到符合的路由规则都会重定向到 / ，在 nginx-ingress 实现相同的目标要更为复杂，需要在 Ingress 配置中加上rewrite 的配置，在Path中还要编写正则进行路由的匹配。

nginx.ingress.kubernetes.io/configuration-snippet: |
      rewrite ^(/v1)$ $1/ redirect;
      nginx.ingress.kubernetes.io/rewrite-target: /$2
      nginx.ingress.kubernetes.io/use-regex: "true"
     
     
...

path: /v1(/|$)(.*)
pathType: Prefix

在验证上述配置时，往往会遇到 404 503 等错误，在调试时会相对复杂，当然也不是没有对应的解决办法(https://www.danielhu.cn/2404-k8s-ingress-debug)。

Istio 中包含丰富的网络相关的策略，比如随机，按照百分比权重转发，最少被访问的实例。利用 istio 提供的强大能力和灵活性，可以覆盖相当多的实际场景。

网关既可以用于管理进入的流量，在流入服务网格后也可以配置出口网关，限制哪些服务可以访问外部网络，哪些不能。istio 还能配置各种安全方面的配置，比如Jwt，TLS 加密，认证，授权。

在测试方面通过故障注入，延迟，超时，熔断对应用等容忍度进行验证，提前预知局部故障的影响范围。

四、Ambient 模式

不同于 Sidecar 模式，Ambient 模式下不需要在 Pod 中运行代理才能参与到服务网格的治理中，Ambient 模式也被称为 “无 Sidecar网格”，虽然这个称呼并不官方，但也能透露出不同之处。

Ambient 模式下不再使用 Envoy 进行代理，而是使用 ztunnel (Zero Trust tunnel，零信任隧道)，这个组件不再挂在到每一个 Pod 作为“边车”服务，它在 Kubernetes 集群中的每一个节点中进行代理。

ztunnel 代理是用 Rust 编写的，旨在处理 L3 和 L4 功能，例如 mTLS、身份验证、L4 鉴权和遥测。

在 istio 最新的版本中可以在没有 sidecar 的情况下运行，sidecar 提供了服务网格的最初模式，在过去十几年的云原生发展中取得巨大成功，但不可避免的是：sidecar 在集群环境中被滥用，并且带来开销，当集群规模较大时，这些 sidecar 将不可忽视地算在成本的一部分。

五、后记

云原生中 istio Kubernetes Prometheus 这些技术已经成为某一领域的事实基础，服务网格是很好的技术，它解决了微服务架构下网络治理的问题，并且它还在不断进步，潜在提高Kubernetes 集群的性能。

从 istio 模式变迁中也能看出，在基础设施和系统级编程中，Rust 这门号称最安全语言的身影出现的越来越频繁，支持的模式也越来越多元化。

从TCP/IP 到服务网格，我们从中能看到技术的变迁，最后我们用《深入高可用架构原理与实践》中的一句话来结尾：

云原生中大部分技术栈，无论是 ServiceMesh 还是 Serverless（无服务器计算）等等，虽然它们各个维度、领域不同，但核心都是将非功能逻辑从应用中剥离，让业务开发更简单。这也是本书反反复复提及的以“以应用为中心”的软件设计理念。

学习资料：

1、https://www.thebyte.com.cn/ServiceMesh/What-is-ServiceMesh.html

2、https://istio.io/latest/zh/docs/ops/deployment/architecture

3、https://blog.fleeto.us/post/istio-route-rules

4、https://www.danielhu.cn/2404-k8s-ingress-debug

5、https://mp.weixin.qq.com/s/nM1qPh9ZxpLV92vbl-pKrA

作者：王凯|后端开发工程师

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