Service Mesh基础

本文是对The Enterprise Path to Service Mesh Architecutures一书的解读。

微服务将原先的单体架构中的应用内通信,转变为基于RPC的远程通信,虽然这样提高了研发效率,提高了开发语言选择的多样性,但是随着单体应用的解体,原先的巨石散落为石块变得四处都是,如何管理这些微服务就成了难题。当微服务的个数少的时候还可以通过人工配置的方式去管理,但随着业务规模的增大,微服务的数量也可能呈指数级增长,如何协调管理成百上千的服务,这就需要有一套设计良好的框架。

一直以来都存在一个谬误,那就是在分布式系统中网络是可靠的。实际上网络是不可靠的,而且也是不安全的,如何保证应用调用和事务的安全性与可靠性,保护微服务的一个专门的基础设施层Service Mesh就应运而生。

Service Mesh是建立在物理或者虚拟网络层之上的,基于策略的微服务的流量控制,与一般的网络协议不同的是它有以下几个特点:

  • 开发者驱动
  • 可配置策略
  • 服务优先的网络配置而不是协议

本章主要介绍Service Mesh的定义和组成,为什么要使用Service Mesh,它可以带来哪些好处。

Service Mesh模型对比
图片 - Service Mesh模型对比

Service Mesh与传统网络的区别就是硬件或者虚拟网络软件定义网络(SDN)的区别,我们从上图中可以看到物理和虚拟网络中比起SDN还多了管理平面

硬件网络中控制平面与数据平面紧耦合,也就是说是与供应商绑定的,管理平面是独立出来的。而SDN却给了我们很多自由度,可以通过软件的形式自定义网络,例如Kubernetes中的CNI

物理网络有很多种拓扑类型,如星形拓扑、总线拓扑、环形拓扑、树型拓扑、网状拓扑等,大家可以去搜索拓扑网络。不论是那种拓扑结构,总有一条路径可以从一个节点路由到另一个节点,只是不同的拓扑类型效率不同,管理的复杂度不一样罢了。

下图是网状拓扑,所谓网状拓扑就是每个节点都可以跟所有其他节点直接互联,这样而这也是链接数最多一种拓扑,如果有n个节点的话,链接数就是n(n-1)。

网状网络拓扑
图片 - 网状网络拓扑

Service Mesh架构

下图是Conduit Service Mesh(现在已合并到Linkerd2中了)的架构图,这是Service Mesh的一种典型的架构。

Service Mesh架构图
图片 - Service Mesh架构图

Service Mesh中分为控制平面数据平面,当前流行的两款开源的Service Mesh Istio和Linkerd实际上都是这种构造,只不过Istio的划分更清晰,而且部署更零散,很多组件都被拆分,控制平面中包括Mixer、Pilot、Citadel,数据平面默认是用Envoy;而Linkerd中只分为linkerd做数据平面,namerd作为控制平面。

控制平面

控制平面的特点:

  • 不直接解析数据包
  • 与控制平面中的代理通信,下发策略和配置
  • 负责网络行为的可视化
  • 通常提供API或者命令行工具可用于配置版本化管理,便于持续集成和部署

数据平面

数据平面的特点:

  • 通常是按照无状态目标设计的,但实际上为了提高流量转发性能,需要缓存一些数据,因此无状态也是有争议的
  • 直接处理入站和出站数据包,转发、路由、健康检查、负载均衡、认证、鉴权、产生监控数据等
  • 对应用来说透明,即可以做到无感知部署

Service Mesh的价值所在

Service Mesh中服务是一等公民,它提供L5的网络流量管理,并提供以下功能:

可观察性

还是拿Istio做例子,Mixer通过适配器将应用的遥测数据发送给后端监控、日志、认证和份额管理系统。

Istio Mixer
图片 - Istio Mixer

从上图可以看到Mixer适配器可以对接多种监控和日志后端。

流量控制

文中给出的例子是超时、重试、截止时间和速率限制。

安全性

下图是Istio中安全通信路径的示意图。

Istio架构图
图片 - Istio架构图

一般的安全性都是通过证书的方式实现的。Sidecar代理负责证书生命周期的管理,包括证书的生成、分发、刷新和注销。从图中还可以看到,在Pod内部sidecar会与应用容器之间建立本地TCP连接,其中使用mTLS(双向传输层加密)。这一点是非常重要的,因为一个节点上甚至一个Pod内都不一定运行一个容器,容器可能会被暴露到外部访问,保证传输层的双向加密,可以保证流量传输的安全。

延迟和故障注入

这个功能对于荣宰容灾和故障演练特别有用。通过人为的向系统中注入故障,如HTTP 500错误,通过分析分布式应用的行为,检验系统的健壮性。

在L5解耦

这是本书最有重要的一个观点,重要到要放到副标题,熟悉OSI模型的人都知道L5是什么。

OSI模型
图片 - OSI模型

OSI模型(图片来自CSDN

Service Mesh是在开发和运维之间植入的一个基础设施层。它将服务通信的关注点分离出来,在TCP/IP层之上抽象出一层通用功能。Service Mesh的引入直接导致生产关系的改变进而提高生产效率。具体表现在:

  • 运维人员在修改服务重试超时时间之前无需再知会开发人员
  • 客户成功部门在撤销客户的访问权限前无需再知会运维
  • 产品Owner可以针对特定服务,根据用户选择的套餐执行配额管理。
  • 开发人员可随时将新版本功能重定向到beta版本,不需要运维人员干涉。
在L5解耦
图片 - 在L5解耦

这种职责的解耦大大加速了软件的迭代速度,总之你可以把Service Mesh作为OSI模型中的会话层。