[Kubernetes] 云原生 Istio 介绍

文章目录

• • • [1.Istio 介绍](#1.Istio 介绍)
    • [2.Istio 特征](#2.Istio 特征)
    • [3.Istio 与服务治理](#3.Istio 与服务治理)
    • 4.Istio与Kubernetes
    • • [4.1 Istio是Kubernetes的好帮手](#4.1 Istio是Kubernetes的好帮手)
      • [4.2 Kubernetes是Istio的好基座](#4.2 Kubernetes是Istio的好基座)
    • 5.Istio与服务网格
    • • [5.1 时代选择服务网格](#5.1 时代选择服务网格)
      • [5.2 服务网格选择Istio](#5.2 服务网格选择Istio)

1.Istio 介绍

1. 服务网格是一个独立的基础设施层，用来处理服务之间的通信。现代的云原生应用是由各种复杂技术构建的服务体系，服务网格负责在这些组成部分之间进行可靠的请求传递。目前典型的服务网格通常提供了一组轻量级的网络代理，这些代理会在应用无感知的情况下，同应用并行部署、运行。

2. Istio有助于降低部署的复杂性，并减轻开发团队的压力。它是一个完全开放源代码的服务网格，透明地分层到现有的分布式应用程序上。它也是一个平台，包括允许它集成到任何日志平台、遥测或策略系统中的api。Istio的多种功能集使我们能够成功、高效地运行分布式微服务体系结构，并提供一种统一的方式来保护、连接和监视微服务。

3. 初始设计目标是在Kubernetes的基础上，以非侵入的方式为运行在集群中的微服务提供流量管理、安全加固、服务监控和策略管理等功能。

Istio是基于Sidecar模式、数据平面和控制平台、是主流Service Mesh解决方案。

Istio的核心组件包括：

数据平面（Data plane）由Envoy Proxy 充当的Sidecar组成。

控制平面（Control plane）主要包含三大核心组件，Pilot、Citadel、Galley组成。

1. Envoy：Envoy 是Istio的基础，是一个高性能的网络代理，作为服务间的sidecar容器部署。它处理所有入站和出站流量，为服务提供负载均衡、熔断、限流等高级功能。

2. Pilot：负责配置 Envoy，动态地提供路由规则、服务发现和策略实施。它与Kubernetes API或者其他服务发现机制集成，确保服务的正确调度。主要是管理部署在Istio服务网格中的Envoy代理实例，为它们提供服务发现、流量管理以及弹性功能，比如：A/B测试、金丝雀发布、超时、重试、熔断等。

3. Mixer：处理跨服务的政策执行（如配额限制、日志记录和监控指标），并且提供了插件接口以支持各种后端服务。

4. Citadel：专注于安全管理，提供身份验证、授权和证书管理，保证服务间的通信安全。

5. Galley：这是Istio的配置管理器，收集、验证、分发并存储服务网格中的配置数据。向Istio的其它组件提供支撑功能，可以理解为Istio的配置中心，它用于校验进入网络配置信息的格式内容正确性，并将这些配置信息提供给Pilot。

2.Istio 特征

• 连接：对网格内部的服务之间的调用所产生的流量进行智能管理，并以此为基础，为微服务的部署、测试和升级等操作提供有力保障。

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• 安全：为网格内部的服务之间的调用提供认证、加密和鉴权支持，在不侵入代码的情况下，加固现有服务，提高其安全性。

• 策略：在控制平面定制策略，并在服务中实施。

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  • Istio 通过可动态插拔、可扩展的策略实现访问控制、速率限制、配额管理等功能使得资源在消费者之间公平分配。
  • 在Istio中使用Mixer作为策略的执行者，Envoy的每次调用，在逻辑上都会通过Mixer进行事先预检和事后报告，这样Mixer就拥有了对流量的部分控制能力；在Istio中还有为数众多的内部适配器及进程外适配器，可以和外部软件设施一起完成策略的制定和执行。

• 观察：对服务之间的调用进行跟踪和测量，获取服务的状态信息。

  • 动态获取服务运行数据和输出，提供强大的调用链、监控和调用日志收集输出的能力。配合可视化工具，可方便运维人员了解服务的运行状况，发现并解决问题。

• 服务无关性：Istio不依赖特定的语言或框架，可以与任何类型的应用程序一起工作。

• 扩展性：Mixer允许开发自定义的策略和遥测处理器，满足特定需求。

• 低侵入性：通过sidecar模式部署，不需要更改现有应用代码。

• 全面的API和工具：丰富的API和CLI工具，简化了与Istio的交互。

3.Istio 与服务治理

Istio是一个服务治理平台，治理的是服务间的访问，只要有访问就可以治理，不在乎这个服务是不是是所谓的微服务，也不要求跑的代码是微服务化的。单体应用不满足微服务用Istio治理也是完全可以的。

服务治理的三种形态

1. 在应用程序中包含治理逻辑

   • 在微服务化的过程中，将服务拆分后会发现一堆麻烦事儿，连基本的业务连通都成了问题。在处理一些治理逻辑，比如怎么找到对端的服务实例，怎么选择一个对端实例发出请求，都需要自己写代码来实现。这种方式简单，对外部依赖少，但会导致存在大量的重复代码。所以，微服务越多，重复的代码越多，维护越难；而且，业务代码和治理逻辑耦合，不管是对治理逻辑的全局升级，还是对业务的升级，都要改同一段代码。
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2. 治理逻辑独立的代码

   • 在解决第1种形态的问题时，我们很容易想到把治理的公共逻辑抽象成一个公共库，让所有微服务都使用这个公共库。在将这些治理能力包含在开发框架中后，只要是用这种开发框架开发的代码，就包含这种能力，非常典型的这种服务治理框架就是Spring Cloud。这种形态的治理工具在过去一段时间里得到了非常广泛的应用。
   • SDK模式虽然在代码上解耦了业务和治理逻辑，但业务代码和 SDK还是要一起编译的，业务代码和治理逻辑还在一个进程内。这就导致几个问题：业务代码必须和 SDK 基于同一种语言，即语言绑定。例如，Spring Cloud等大部分治理框架都基于Java，因此也只适用于 Java 语言开发的服务。经常有客户抱怨自己基于其他语言编写的服务没有对应的治理框架；在治理逻辑升级时，还需要用户的整个服务升级，即使业务逻辑没有改变，这对用户来说是非常不方便的。
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3. 治理逻辑独立的进程

   • SDK模式仍旧侵入了用户的代码，那就再解耦一层，把治理逻辑彻底从用户的业务代码中剥离出来，这就是前面提过的Sidecar模式。显然，在这种形态下，用户的业务代码和治理逻辑都以独立的进程存在，两者的代码和运行都无耦合，这样可以做到与开发语言无关，升级也相互独立。在对已存在的系统进行微服务治理时，只需搭配 Sidecar 即可，对原服务无须做任何修改，并且可以对老系统渐进式升级改造，先对部分服务进行微服务化。
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比较以上三种服务治理形态，我们可以看到服务治理组件的位置在持续下沉，对应用的侵入逐渐减少。

微服务作为一种架构风格，更是一种敏捷的软件工程实践，说到底是一套方法论；与之对应的 Istio 等服务网格则是一种完整的实践，Istio 更是一款设计良好的具有较好集成及可扩展能力的可落地的服务治理工具和平台。

所以，微服务是一套理论，Istio是一种实践。

4.Istio与Kubernetes

4.1 Istio是Kubernetes的好帮手

在Kubernetes上叠加Istio这个好帮手, Kubernetes已经提供了非常强大的应用负载的部署、升级、扩容等运行管理能力。Kubernetes 中的 Service 机制也已经可以做服务注册、服务发现和负载均衡，支持通过服务名访问到服务实例。但对服务间访问的管理如服务的熔断、限流、动态路由、调用链追踪等都不在Kubernetes的能力范围内。

4.2 Kubernetes是Istio的好基座

Istio最大化地利用了Kubernetes这个基础设施，与之叠加在一起形成了一个更强大的用于进行服务运行和治理的基础设施，充分利用了Kubernetes的优点实现Istio的功能。

1. 数据面

   • 数据面Sidecar运行在Kubernetes的Pod里，作为一个Proxy和业务容器部署在一起。在服务网格的定义中要求应用。
   • 对用户透明，用户甚至感知不到部署 Sidecar的过程。用户还是用原有的方式创建负载，通过 Istio 的自动注入服务，可以自动给指定的负载注入Proxy。如果在另一种环境下部署和使用Proxy，则不会有这样的便利。

2. 服务发现

   • stio的服务发现机制非常完美地基于Kubernetes的域名访问机制构建而成，省去了再搭一个类似 Eureka 的注册中心的麻烦，更避免了在 Kubernetes 上运行时服务发现数据不一致的问题。

3. 基于K8s的CRD描述规则

   • Istio的所有路由规则和控制策略都是通过 Kubernetes CRD实现的，因此各种规则策略对应的数据也被存储在 Kube-apiserver 中，不需要另外一个单独的 APIServer 和后端的配置管理。所以，可以说Istio的APIServer就是Kubernetes的APIServer，数据也自然地被存在了对应Kubernetes的etcd中。
   • Istio非常巧妙地应用了Kubernetes这个好基座，基于Kubernetes的已有能力来构建自身功能。Kubernetes里已经有的，绝不再自己搞一套，避免了数据不一致和用户使用体验的问题。
   • Istio和Kubernetes架构的关系，可以看出，Istio不仅数据面Envoy跑在Kubernetes的Pod里，其控制面也运行在Kubernetes集群中，其控制面组件本身存在的形式也是以Kubernetes Deployment和Service，基于Kubernetes扩展和构建。

云原生应用采用 Kubernetes 构建应用编排能力，采用 Istio 构建服务治理能力，将逐渐成为企业技术转型的标准配置。

5.Istio与服务网格

5.1 时代选择服务网格

在云原生时代，随着采用各种语言开发的服务剧增，应用间的访问拓扑更加复杂，治理需求也越来越多。原来的那种嵌入在应用中的治理功能无论是从形态、动态性还是可扩展性来说都不能满足需求，迫切需要一种具备云原生动态、弹性特点的应用治理基础设施。

1. 采用Sidecar代理与应用进程的解耦带来的是应用完全无侵入、也屏蔽了开发语言无关等特点解除了开发语言的约束，从而极大降低了应用开发者的开发成本。

2. 这种方式也经常被称为一种应用的基础设施层，类比TCP/IP网络协议栈，应用程序像使用TCP/IP一样使用这个通用代理：TCP/IP 负责将字节码可靠地在网络节点之间传递，Sidecar 则负责将请求可靠地在服务间进行传递。TCP/IP 面向的是底层的数据流，Sidecar 则可以支持多种高级协议（HTTP、gRPC、HTTPS 等），以及对服务运行时进行高级控制，使服务变得可监控、可管理。

3. 然后，从全局来看，在多个服务间有复杂的互相访问时才有服务治理的需求。即我们关注的是这些 Sidecar 组成的网格，对网格内的服务间访问进行管理，应用还是按照本来的方式进行互相访问，每个应用程序的入口流量和出口流量都要经过Sidecar代理，并在Sidecar上执行治理动作。

4. 最后，Sidecar是网格动作的执行体，全局的管理规则和网格内的元数据维护需要通过一个统一的控制面实现。

   Sidecar拦截入口流量，执行治理动作。这就引入两个问题：

   • 增加了两处延迟和可能的故障点；

   • 多出来的这两跳对于访问性能、整体可靠性及整个系统的复杂度都带来了新的挑战。

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5.2 服务网格选择Istio

1. 在多种服务网格项目和产品中，最引人注目的是后来居上的 Istio，它有希望成为继Kubernetes之后的又一款重量级产品。

2. Istio 解决了生产大规模集群的性能、资源利用率和可靠性问题，提供了众多生产中实际应用的新特性，已经达到企业级可用的标准。

3. 首先，在控制面上，Istio作为一种全新的设计，在功能、形态、架构和扩展性上提供了远超服务网格的能力范围。它提供了一套标准的控制面规范，向数据面传递服务信息和治理规则。

4. Istio使用Envoy V2版本的API，即gRPC协议。标准的控制面API解耦了控制面和数据面的绑定。

5. 最后，Kubernetes作为管理容器的编排系统，需要一个系统管理在容器平台上运行的服务之间的交互，包括控制访问、安全、运行数据收集等，而 Istio 正是为此而生的；另外，Istio 成为架构的默认部分，就像容器和Kubernetes已经成为云原生架构的默认部分一样。

6. 时代选择服务网格是因为架构的发展, 服务网格选择istio是因为提供一套开箱即用的容器应用运行治理的全栈服务。