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Istio简介及架构

三 Istio是什么

1. 为什么使用Istio

通过负载平衡、service-to-service身份验证、监视等方法，Istio可以轻松地创建部署的服务网络，而服务代码中的代码更改很少或没有更改。您可以通过在整个环境中部署一个特殊的sidecar代理来为服务添加Istio支持，该代理可以拦截微服务之间的所有网络通信，然后使用其控制平面功能来配置和管理Istio，其中包括:

  • HTTP、gRPC、WebSocket和TCP流量的自动负载平衡。
  • 使用丰富的路由规则、重试、故障转移和故障注入对流量行为进行细粒度控制。
  • 支持访问控制、速率限制和配额的可插拔策略层和配置API。
  • 集群内所有流量的自动度量、日志和跟踪，包括集群入口和出口。
  • 在具有强大的基于身份的身份验证和授权的集群中实现安全的服务到服务通信。

2. Istio的核心功能

2.1 流量管理

Istio的简单规则配置和流量路由允许您控制服务之间的流量和API调用流。Istio简化了服务级属性(如断路器、超时和重试)的配置，并且简化了设置重要任务(如a /B测试、金丝雀测试和按百分比划分的分阶段测试)的工作。

有了更好的流量可视性和开箱即用故障恢复功能，您可以在问题产生之前捕获问题，使调用更可靠，网络更健壮。

2.2 安全

Istio的安全功能使开发人员可以专注于应用程序级别的安全。Istio提供了底层的安全通信通道，并按比例管理服务通信的身份验证、授权和加密。通过Istio，服务通信在缺省情况下是安全的，允许您在不同的协议和运行时之间一致地实施策略——所有这些都只需要很少或没有应用程序更改。

虽然Istio是平台独立的，与Kubernetes(或基础设施)网络策略一起使用，但是它的好处更大，包括能够在网络和应用层上保护点到点或服务到服务的通信。

2.3 观察

Istio的健壮跟踪、监视和日志功能使您能够深入了解服务网格部署。通过Istio的监视功能，可以真正理解服务性能如何影响上游和下游的事情，而它的自定义仪表板提供了对所有服务的性能的可见性，并让您看到该性能如何影响其他流程。

2.4 平台的支持

Istio是独立于平台的，设计用于在各种环境中运行，包括跨云、内部环境、Kubernetes、Mesos等等。您可以在Kubernetes或Nomad上部署Istio。Istio目前支持:

  • Service deployment on Kubernetes
  • Services registered with Consul
  • Services running on individual virtual machines

四 Istio的架构

istio服务网格在逻辑上分为数据平面和控制平面。

  • 数据平面由一组部署为边车的智能代理(Envoy)组成。这些代理负责协调和控制微服务之间的所有网络通信。他们还收集和报告所有网格流量的遥测数据。
  • 控制平面管理并将代理配置为路由流量。

下图显示了构成每个平面的不同组件：（下图来自官网）

Istio中的交通分为数据平面交通和控制平面交通。数据平面流量是指工作负载的业务逻辑发送和接收的消息。控制平面交通是指在Istio组件之间发送的配置和控制消息来对网格的行为进行编程。Istio中的流量管理专门指数据平面流量。

1. 组件

1.1 Envoy

Istio使用Envoy代理的扩展版本。Envoy是用c++开发的高性能代理，用于协调服务网格中所有服务的所有入站和出站流量。Envoy代理是唯一与数据通信交互的Istio组件。

Envoy代理被部署为服务的边车，从逻辑上讲，它增加了Envoy的许多内置特性：

  • Dynamic service discovery
  • Load balancing
  • TLS termination
  • HTTP/2 and gRPC proxies
  • Circuit breakers
  • Health checks
  • Staged rollouts with %-based traffic split
  • Fault injection
  • Rich metrics

这种sidecar部署允许Istio提取大量关于流量行为的信号作为属性。Istio可以使用这些属性来执行策略决策，并将它们发送到监控系统，以提供关于整个网格的行为的信息。

sidecar代理模型还允许您向现有部署添加Istio功能，而不需要重新架构或重写代码。

由envoy代理启用的一些Istio功能和任务包括:

  • Traffic control features: enforce fine-grained traffic control with rich routing rules for HTTP, gRPC, WebSocket, and TCP traffic.
  • Network resiliency features: setup retries, failovers, circuit breakers, and fault injection.
  • Security and authentication features: enforce security policies and enforce access control and rate limiting defined through the configuration API.
  • Pluggable extensions model based on WebAssembly that allows for custom policy enforcement and telemetry generation for mesh traffic.

1.2 Pilot

Pilot针对提供智能路由（比如，A/B测试、金丝雀部署）的Envoy Sidecar，流量管理的能力提供了服务发现。针对弹性提供了超时，重试，断路保护等功能。

Pilot将控制流量行为的高级路由规则转换为特定于环境的配置，并在运行时将它们传播到边车。Pilot将特定于平台的服务发现机制抽象出来，并将它们合成为任何符合Envoy API的sidecar都可以使用的标准格式。

下图显示了平台适配器和Envoy代理如何交互:

  1. 平台启动一个服务的新实例，该实例通知其平台适配器。
  2. 平台适配器使用Pilot抽象模型注册实例。
  3. Pilot将分发流量规则和配置给Envoy代理，以说明更改的原因。

这种耦合允许istio运行在比如kubernetes、Consul或者Nomad等平台上。

1.3 Citadel

Citadel支持强大的服务对服务和终端用户身份验证，内置身份和凭证管理。您可以使用Citadel来升级服务网格中的未加密流量。使用Citadel，运营商可以执行基于服务身份的策略，而不是基于相对不稳定的第3层或第4层网络标识符。从0.5版开始，您可以使用Istio的授权特性来控制谁可以访问您的服务。

Galley是Istio的配置验证、注入、处理和分发组件。它负责将其余的Istio组件与从底层平台(例如Kubernetes)获取用户配置的细节隔离开来。

2. 设计目标

  • 最大化的透明度：为了采用Istio，操作人员或开发人员需要做尽可能少的工作，才能从系统中获得真正的价值。为此，Istio可以自动将自己注入到服务之间的所有网络路径中。Istio使用sidecar代理来捕获流量，并在可能的情况下，在不更改已部署的应用程序代码的情况下，自动对网络层进行编程，以通过这些代理路由流量。在Kubernetes中，代理被注入到pods中，通过编写iptables规则捕获流量。一旦sidecar代理被注入并且流量路由被处理，Istio可以协调所有的流量。这个原则也适用于性能。当将Istio应用于部署时，操作人员会看到所提供功能的资源成本的最小增加。组件和api的设计必须考虑到性能和可伸缩性。
  • 扩展性：随着操作人员和开发人员越来越依赖于Istio提供的功能，系统必须随着他们的需求而增长。当我们继续添加新特性时，最大的需求是扩展策略系统的能力，与其他策略和控制源的集成，以及将关于网格行为的信号传播到其他系统进行分析的能力。策略运行时支持用于插入其他服务的标准扩展机制。
  • 可移植性：使用Istio的生态系统在许多方面都有所不同。Istio必须在任何云环境或本地环境中以最小的努力运行。将基于isti的服务移植到新环境的任务必须是琐碎的。使用Istio，您可以操作部署到多个环境中的单个服务。例如，可以在多个云上部署冗余。
  • 策略的一致性：策略在服务之间的API调用上的应用提供了对网格行为的大量控制。然而，将策略应用于API级别上不一定表示的资源也同样重要。例如，对ML训练任务消耗的CPU数量应用配额比对发起工作的调用应用配额更有用。为此，Istio使用自己的API将策略系统维护为一个独立的服务，而不是将策略系统集成到代理sidecar中，从而允许服务根据需要直接与之集成。