# 服务网格基础

> 本文是对 [The Enterprise Path to Service Mesh Architectures ](https://www.nginx.com/resources/library/the-enterprise-path-to-service-mesh-architectures/)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](https://en.wikipedia.org/wiki/Fallacies_of_distributed_computing)，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服务网格就应运而生。

服务网格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

本章主要介绍服务网格的定义和组成，为什么要使用服务网格，它可以带来哪些好处。

![服务网格模型对比](https://4227727852-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FgrbEKquD93OLsW4hFlF6%2Fuploads%2Fgit-blob-04b2e96aaaf9a29aef5d72d0983e2c5694f73c17%2F0069RVTdly1fuafvbnuc7j310a0oqdm9.jpg?alt=media)

服务网格与传统网络的区别就是**硬件或者虚拟网络**与\*\*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](https://jimmysong.io/kubernetes-handbook/concepts/cni.html)。

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](https://4227727852-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FgrbEKquD93OLsW4hFlF6%2Fuploads%2Fgit-blob-d9cd3f1777886d72dd51a5b982d30553f3ca4f21%2F0069RVTdly1fuaie8jan8j310a0kitem.jpg?alt=media)

### 服务网格架构

下图是曾经的 Conduit 服务网格（已合并到 Linkerd2 中了）的架构图，这是服务网格的一种典型的架构。

![服务网格架构图](https://4227727852-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FgrbEKquD93OLsW4hFlF6%2Fuploads%2Fgit-blob-82eaf56f6a69af9d6826617874dafd497d341c83%2F0069RVTdly1fuail4d24jj31080rkgr7.jpg?alt=media)

服务网格中分为**控制平面**和**数据平面**，当前流行的两款开源的服务网格 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（Istio 1.5 之前版本）、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

### 服务网格的价值所在

服务网格中服务是一等公民，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（Istio 1.5 之后已从 Istio 内部移除，转而合并到数据平面中） 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](https://4227727852-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FgrbEKquD93OLsW4hFlF6%2Fuploads%2Fgit-blob-189fcbb55e95246009676488220a873d76abc499%2F0069RVTdly1fuam4ln45jj30yu0o6wkc.jpg?alt=media)

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](https://4227727852-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FgrbEKquD93OLsW4hFlF6%2Fuploads%2Fgit-blob-a43de676ce48b64441a847f6ed2b945c6aff92b7%2F0069RVTdly1fuamvq97cuj30yu0wg7cr.jpg?alt=media)

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](https://4227727852-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FgrbEKquD93OLsW4hFlF6%2Fuploads%2Fgit-blob-19e6f0c757858b4468f8d8d09eac386b99f85c22%2F0069RVTdly1fuanez4qbtj30v4183n7p.jpg?alt=media)

* *OSI 模型（图片来自* [*CSDN*](https://blog.csdn.net/yaopeng_2005/article/details/7064869)*）*

  服务网格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。服务网格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](https://4227727852-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FgrbEKquD93OLsW4hFlF6%2Fuploads%2Fgit-blob-54ac35cd574b97343a2d74776e066d8f36b773c7%2F006tNbRwly1fubfiiryirj30w20ayjui.jpg?alt=media)

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