华尔街见闻Istio生产实践 Posted 2021-04-13 分布式实验室
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了华尔街见闻Istio生产实践相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
随着见闻业务不断增加，所涉及语⾔也越来越多。由于微服务化的引入，就需要为不同语言开发各自的服务发现、监控、链路追踪等组件，更新运维成本较高。同时应用的灰度部署也是见闻在着⼒解决的问题。Istio通过下沉基础设置，很好的解决了组件跨语言兼容问题， 同时带来了智能路由、服务熔断、错误注入等重要的特性。整个搭建过程中也遇到了很多坑和经验，希望和大家分享。
见闻开发团队以Golang为主，同时存在Python，Java服务，这就需要SRE提供更容易接入的微服务基础组件，常见的方案就是为每种语言提供适配的微服务基础组件，但痛点是基础组件更新维护的成本较高。
为了解决痛点，我们将目光放到服务网格，它能利用基础设施下沉来解决多语言基础库依赖的问题，不同的语言不需要再引入各种不同的服务发现、监控等依赖库，只需简单的配置并运行在给定的环境下，就能享有服务发现、流量监控、链路追踪等功能，同时网络作为最重要的通信组件，可以基于它实现很多复杂的功能，譬如智能路由、服务熔断降级等。
我们调研了一些服务网格方案，包括Istio、Linkerd。
对比下来，Istio拥有更多活跃的开源贡献者，迭代速度快，以及Istio架构可行性讨论，我们选择Istio作为实践方案。
这张图介绍了华尔街见闻典型的服务网格架构，左半图介绍了用户请求是如何处理，右半图介绍运维系统是如何监控服务。
通过架构图，我们拆分出以下关键组件，经过评估，Istio高度模块化、可拓展，各个组件的可用性、拓展性都有相应的策略达到保障，我们认为Istio是具有可实施性的。
性能：Istio Ingress用来处理用户入流量，使用Envoy实现，转发性能高。
可用性：保证实例数量并使用服务探活接口保证服务可用性。
拓展性：挂载在负载均衡后，通过增加实例实现可拓展。
Istio Proxy随应用部署，轻微性能损耗，可随应用数量拓展
Istio Proxy以Sidecar形式随应用一起部署，增加2次流量转发，存在性能损耗。
性能：4核8G服务器，上面运行Proxy服务和API服务，API服务只返回ok字样。（此测试只测试极限QPS）
单独测试API服务的QPS在59k+，平均延时在1.68ms，CPU占用4核。通过代理访问的QPS6.8k+，平均延时14.97ms，代理CPU占用2核，API服务CPU占用2核。
CPU消耗以及转发消耗降低了QPS，增加了延时，通过增加机器核数并增加服务部署数量解决该问题，经过测试环境测试，延时可以接受。
可用性：基于Envoy，我们认为Envoy的可用性高于应用。依赖Pilot Discovery进行服务路由，可用性受Pilot Discovery影响。
Istio Policy服务可拓展，但同步调用存在风险
Istio Policy需要在服务调用前访问，是同步请求，会增加服务调用延时，通过拓展服务数量增加处理能力。属于可选服务，华尔街见闻生产环境未使用该组件。
可用性：若开启Policy，必须保证Policy高可用，否则正常服务将不可用。
性能：从监控上观察Report 5000qps，使用25核，响应时间p99在72ms。异步调用不影响应用的响应时间。
性能：服务发现组件（1.0.5版本）经过监控观察，300个Service，1000个Pod，服务变更次数1天100次，平均CPU消耗在0.04核左右，内存占用在1G以内。
可用性：在服务更新时需要保证可用，否则新创建的Pod无法获取最新路由规则，对于已运行Pod由于Proxy存在路由缓存不受Pilot Discovery关闭的影响。
Istio通过mixer来搜集上报的遥测数据，并自带Prometheus、Grafana等监控组件，可方便的对服务状态进行监控。见闻目前监控在用Istio自带的，利用Prometheus拉取集群指标，经由Grafana看板展示，可直观展示出各种全局指标及应用服务指标，包括全局QPS、全局调用成功率、各服务延时分布情况、QPS及状态码分布等， 基本满足监控所需。
存储暂未做持久化操作，采用Prometheus的默认的内存存储，数据的存储策略可通过设定Prometheus的启动参数--storage.tsdb.retention来设定，见闻生产时间设定为了6h。
Prometheus服务由于数据存储原因会消耗大量内存，所以在部署时建议将Prometheus部署在专有的大内存node节点上，这样如果内存使用过大导致该node节点报错也不会对别的服务造成影响。Istio mixer担负着全网的遥测数据搜集任务，容易成为性能瓶颈，建议和Prometheus一样将其部署在专有节点上， 避免出现问题时对应用服务造成影响。
Envoy原生支持分布式链路追踪， 如Jaeger、Zipkin等，见闻生产选择了Istio自带的Jaeger作为自身链路追踪系统。默认Jaeger服务为all_in_one形式，包含jaeger-collect、jaeger-query、jaeger-agent等组件，数据存储在内存中。
见闻测试集群采用了此种部署形式。见闻生产环境基于性能与数据持久性考虑，基于Cassandra存储搭建了单独的jaeger-collect、jaeger-query服务。Jaeger兼容Zipkin，可以通过设定Istio ConfigMap中的zipkinAddress参数值为jaeger-collector对应地址，来设置Proxy的trace上报地址。同时通过设置istio-pilot环境变量PILOT_TRACE_SAMPLING来设置tracing的采样率，见闻生产采用了1%的采样率。
Tracing不像Istio监控系统一样对业务代码完全无侵入性。Envoy在收发请求时若发现该请求没有相关trace headers，就会为该请求自动创建。tracing的实现需要对业务代码稍作变动，这个变动主要用来传递trace相关的header，以便将一次调用产生的各个span串联起来。
见闻底层采用 grpc 微服务框架，在Gateway层面将trace header 加入到入口grpc调用的context中，从而将trace headers 逐级传递下去。
Istio通过向Pod注入Sidecar接管流量的形式实现服务治理，那么就会有Sidecar与业务容器状态不同步的可能，从而造成各种的调用问题，如下两方面：
Sidecar就绪时间晚于业务容器：业务容器此时若发起调用，由于Sidecar还未就绪， 就会出现类似no healthy upstream之类错误。若此时该Pod接收请求，就又会出现类似upstream connect error错误。
Sidecar就绪时间早于业务容器：例如某业务容器初始化时间过长导致Kubernetes误以为该容器已就绪，Sidecar开始进行处理请求，此时就会出现类似upstream connect error错误。
探活涉及Sidecar、业务容器两部分，只有两部分同时就绪，此Pod才可以正式对外提供服务，分为下面两方面：
Sidecar探活：v1.0.3及以上版本针对Pilot-agent新增了一个探活接口healthz/ready，涉及statusPort、applicationPorts、adminPort等三个端口。其基本逻辑为在statusPort上启动健康监测服务，监听applicationPorts设定的端口是否至少有一个成功监听，之后通过调用本地adminPort端口获取xDS同步状态。若满足至少一个applicationPort成功监听，且CDS、LDS都进行过同步，则该Sidecar才被标记为Ready。
业务容器探活：见闻通过基本库，在所有Golang grpc后端服务中注册了一个用于健康检查的handler， 该handler可由开发人员根据自身业务自定义，最后根据handler返回值来判断业务容器状态（如下图）。
为了实现灰度部署，见闻基于Kubernetes Dashboard进行了二次开发，增加了对Istio相关资源的支持，利用Gateway、VirtualService、DestinationRule等crd实现了应用程序的灰度部署，实际细节如下：
更新流量控制将流量指向已有版本，利用VirtualService将流量全部指向v1版本（见下动图）。
部署新版本的Deployment，查找旧的Deployment配置，通过筛选app标签符合应用名的Deployment，运维人员基于该Deployment创建v2版本的Deployment，并向destinationRule中增加v2版本。
更新流量控制将流量指向新版，本利用VirtualService将ServiceA的服务流量全部指向v2版本。
下线老版本的Deployment并删除对应DestinationRule。
利用Istio Dashboard来实现上述流程：
为了方便开发人员服务部署，开发了精简版后台，并对可修改部分进行了限定。最终，SRE提供两个后台，对Istio Dashboard进行精细控制：
Istio对Kubernetes的API有很强的依赖，诸如流量控制（Kubernetes资源）、集群监控（Prometheus通过Kubernetes服务发现查找Pod）、服务权限控制（Mixer Policy）。所以需要保障API server的高可用，我们曾遇到Policy组件疯狂请求Kubernetes API server使API server无法服务，从而导致服务发现等服务无法更新配置。
服务配置是Istio部署后的重头戏，避免使用手动方式更改配置，使用代码更新配置，将常用的几个配置更新操作做到运维后台，相信手动一定会犯错。
Pilot Discovery 1.0.0版本有很大的性能问题，1.0.4有很大的性能提升，但引入了一个新bug，所以请使用1.0.5及以上的版本，我们观察到CPU消耗至少是1.0.0版本的1/10，大大降低了Proxy同步配置的延时。
这个组件曾导致API server负载过高（很高的list pods请求），所以我们暂时束之高阁，慎用。
在使用Proxy、Telemetry时，默认它们会打印访问日志，我们选择在生产上关闭该日志。时刻观察Istio社区的最新版本，查看新版本各个组件的性能优化以及bug修复情况，将Istio当做高度模块化的系统，单独升级某些组件。上面就提到我们在Istio1.0的基础上使用了1.0.5版本的Policy、Telemetry、Pilot Discovery等组件。
Istio依靠Proxy来帮助APP进行路由，考虑几种情况会出现意外的状态：
APP启动先于Proxy，并开始调用其它服务，这时Proxy尚未初始化完毕，APP调用失败。
Service B关闭时，调用者Service A的Proxy尚未同步更新Service B关闭的状态，向Service B发送请求，调用失败。第一种情况要求APP有重试机制，能适当重试请求，避免启动时的Proxy初始化与APP初始化的时差，Istio提供了retry次数配置，可以考虑使用。第二种情况，一种是服务更新时，我们使用新建新服务，再切流量；一种是服务异常退出，这种情况是在客户端重试机制。希望使用Istio的开发人员有更好的解决方案。
A：Service Mesh是最近比较火的一个概念，和微服务、Kubernetes有密切关系。出于以后业务发展需要，可以学习下， 增加知识储备。见闻上Istio的主要目的在文章已说明，主要是基础服务的下沉，解决了语言兼容性问题， 还有一个就是灰度发布。
Q：
链路追踪的采集方式是怎样的，比如Nodejs，C++等多语言如何支持的？
A：Envoy本身支持链路追踪，也就是将Envoy会在请求head中增加链路追踪相关的数据头，比如x-b3-traceid，x-b3-spanid等等。业务要做的就是将这些head沿着调用链路传递下去即可。所以多语言的话需要在自己的业务侧实现该逻辑。所以Istio的链路追踪对业务代码还是有很小的侵入性的（这个分享中有说明）。
Q：
Istio与Spring Cloud两者的优缺点与今后的发展趋势会是怎么样？
A：见闻技术栈是Golang，所以没太认真对比过两者。从社区活跃度上将，Istio > Spring Cloud，稳定性方面，Spring Cloud是更有优势，更适合Java沉淀较深的企业。但个人感觉对于更多企业来讲，跨越了语言兼容性的Istio未来发展很值得期待。
Q：
Docker镜像部署可以做到代码保护吗，比如像Nodejs这种非二进制执行程序的项目？
A：代码保护可以通过将镜像上传至指定云服务商上的镜像仓库中，见闻是将自己的业务镜像提交保存在了腾讯云。如果镜像泄露，那么非二进制执行程序的代码还是有泄露风险的。
A：选型之初也调研了Linkerd， 对比下来，Istio拥有更多活跃的开源贡献者，迭代速度快，以及Istio架构相较于见闻有较大可行性，所以选择了Istio作为实践方案。
Q：
Istio在做运维部署时没有UI工具，你们如何实现运维人员更加便捷地使用？
A：见闻基于Kubernetes官方的Dashboard， 对内容进行了扩充，增加了对Gateway，VirtualService等Istio crd资源的支持， 同时增加了灰度部署等和见闻运维业务相关的功能，所以一定程度上解决了运维部署的问题。
Q：
流量从Sidecar代理势必会对请求响应时间有影响，这个有没有更详细案例的说明性能上的损耗情况？
A：Sidecar的转发其实带来了性能一定的性能损耗。4核8G服务器，上面运行Proxy服务和API服务，API服务只返回ok字样。（此测试只测试极限QPS）单独测试API服务的QPS在59k+，平均延时在1.68ms，CPU占用4核。通过代理访问的QPS6.8k+，平均延时14.97ms，代理CPU占用2核，API服务CPU占用2核。CPU消耗以及转发消耗降低了QPS，增加了延时，通过增加机器核数并增加服务部署数量缓解该问题，经过测试环境测试，延时可以接受。
Q：
Sidecar在生产中资源占用为多少？
是否会对集群资源占用很多？
A：以单个Pod为例，见闻业务单个Pod中Sidecar所占资源约占整个Pod所耗资源的1/10。
Q：
Jeager你们是进行了代码埋点吗？
更为底层代码级别的追踪，有用其他方案吗？
A：Envoy本身对tracing有良好的支持，所以业务端所做的改动只需将其所产生的追踪数据延续下去即可。上Istio之前，见闻在相关微服务中通过在基础库中增加链路追踪逻辑（Zipkin）实现了链路追踪，不过只做了Golang版，多语言兼容开发运维难度较大。
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