Service Mesh：探索分布式系統(tǒng)的幻覺與未來

在現(xiàn)代的微服務(wù)架構(gòu)中，應(yīng)用程序網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)微服務(wù)之間分布式通信的關(guān)鍵。無論是在單個 Kubernetes 集群中部署還是跨多個集群和不同基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境中部署，都需要建立一個強大的應(yīng)用程序網(wǎng)絡(luò)，讓微服務(wù)能夠相互交流。這種通信不僅需要高效可靠，還需要具備適應(yīng)各種逆境的韌性。

除了建立應(yīng)用程序網(wǎng)絡(luò)，我們還需要監(jiān)控微服務(wù)之間的通信，即可觀察性（observability）。在微服務(wù)通信中，可觀察性非常重要，可以了解微服務(wù)之間的相互作用方式。此外，微服務(wù)之間的通信也需要安全保護(hù)，通信應(yīng)當(dāng)進(jìn)行加密，防止中間人攻擊。每個微服務(wù)應(yīng)具有身份標(biāo)識，并能夠證明其與其他微服務(wù)之間的授權(quán)通信。

那么，為什么需要服務(wù)網(wǎng)格（Service Mesh）呢？為什么這些需求不能在 Kubernetes 中滿足？答案在于 Kubernetes 的架構(gòu)和設(shè)計目標(biāo)。正如之前提到的，Kubernetes 是應(yīng)用程序生命周期管理軟件，它提供了基本級別的應(yīng)用程序網(wǎng)絡(luò)、可觀察性和安全性支持，但無法滿足現(xiàn)代動態(tài)微服務(wù)架構(gòu)的需求。這并不意味著 Kubernetes 不是現(xiàn)代化的軟件，它確實是一項非常先進(jìn)和前沿的技術(shù)，但它主要用于容器編排。

在 Kubernetes 中，流量管理由 Kubernetes 網(wǎng)絡(luò)代理（kube-proxy）負(fù)責(zé)。kube-proxy 在每個節(jié)點上運行，并與 Kubernetes API 服務(wù)器通信，獲取關(guān)于 Kubernetes 服務(wù)的信息。Kubernetes 服務(wù)是一種將一組 Pod 作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)公開的抽象層。kube-proxy 通過設(shè)置 iptables 規(guī)則，定義了如何將流量路由到對應(yīng)的端點（實際上是承載應(yīng)用程序的底層 Pod）。

這就是服務(wù)網(wǎng)格發(fā)揮作用的地方。服務(wù)網(wǎng)格通過提供高級流量管理、可觀察性和安全性功能，彌補了 Kubernetes 的不足。服務(wù)網(wǎng)格位于應(yīng)用程序?qū)?，并與微服務(wù)并行工作，攔截和管理它們之間的通信。借助服務(wù)網(wǎng)格，您可以實現(xiàn)細(xì)粒度的流量控制、收集豐富的遙測數(shù)據(jù)以實現(xiàn)可觀察性，并強制實施微服務(wù)之間的安全通信。

服務(wù)網(wǎng)格，例如 Istio、FloMesh、和 Linkerd，與 Kubernetes 緊密集成，并增強其功能，以滿足現(xiàn)代微服務(wù)架構(gòu)的要求。通過采用服務(wù)網(wǎng)格，組織可以實現(xiàn)微服務(wù)部署的增強韌性、可觀察性和安全性。

服務(wù)網(wǎng)格技術(shù)填補了 Kubernetes 在微服務(wù)架構(gòu)中先進(jìn)的應(yīng)用程序網(wǎng)絡(luò)、可觀察性和安全性方面的不足。它提供了一個強大且靈活的基礎(chǔ)設(shè)施層，與 Kubernetes 互補，使組織能夠構(gòu)建和運行具備韌性和安全性的分布式系統(tǒng)。通過采用服務(wù)網(wǎng)格，組織可以實現(xiàn)微服務(wù)部署的增強韌性、可觀察性和安全性。

分布式系統(tǒng)謬誤

當(dāng)設(shè)計分布式應(yīng)用程序時，軟件開發(fā)人員經(jīng)常會犯一些錯誤的假設(shè)，這些假設(shè)被稱為"分布式系統(tǒng)的謬論"（Fallacies of a distributed system）。這些謬論最初由 L Peter Deutsch 和其他 Sun Microsystems 的工程師提出，并被廣泛接受。它們揭示了關(guān)于分布式系統(tǒng)性質(zhì)和挑戰(zhàn)的常見誤解。下面是這些謬論的總結(jié)：

1. 網(wǎng)絡(luò)是可靠的：這個假設(shè)認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)始終可用且沒有故障。然而，在現(xiàn)實中，網(wǎng)絡(luò)可能會出現(xiàn)中斷、故障或間歇性的連接問題。

2. 延遲為零：這個謬論假設(shè)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)時沒有延遲。然而，在實際情況下，網(wǎng)絡(luò)延遲受到距離、擁塞和處理時間等因素的影響，會有不同程度的延遲。

3. 帶寬是無限的：這個假設(shè)認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量沒有限制。然而，在現(xiàn)實中，網(wǎng)絡(luò)帶寬是有限的，會存在擁塞和性能降低的情況。

4. 網(wǎng)絡(luò)是安全的：這個謬論認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)本身是安全的，能夠防止未經(jīng)授權(quán)的訪問或數(shù)據(jù)泄漏。實際上，網(wǎng)絡(luò)需要強大的安全措施來確保機密性、完整性和可用性。

5. 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不會改變：這個假設(shè)認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和配置在時間上保持靜態(tài)不變。然而，網(wǎng)絡(luò)是動態(tài)的，節(jié)點可能加入、離開或改變連接，應(yīng)用程序需要對此進(jìn)行適應(yīng)。

6. 只有一個管理員：這個謬論認(rèn)為單個實體對整個網(wǎng)絡(luò)具有完全的控制和管理權(quán)。實際上，分布式系統(tǒng)通常涉及多個管理員，他們擁有不同的控制權(quán)和責(zé)任。

7. 傳輸成本為零：這個假設(shè)認(rèn)為在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)沒有任何成本。然而，在現(xiàn)實中，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、帶寬使用等因素都會帶來成本。

8. 網(wǎng)絡(luò)是同質(zhì)的：這個謬論認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)的各個組件具有相同的特性和統(tǒng)一的行為。實際上，網(wǎng)絡(luò)可能由不同類型的設(shè)備、操作系統(tǒng)、協(xié)議和能力組成。

服務(wù)治理痛點

1. 多語言、多技術(shù)棧

微服務(wù)架構(gòu)中，團(tuán)隊可能使用不同的編程語言和技術(shù)棧來開發(fā)微服務(wù)。這導(dǎo)致了多語言和多技術(shù)棧的挑戰(zhàn)，需要找到一種統(tǒng)一的方式來協(xié)調(diào)不同語言的微服務(wù)之間的通信和交互。這涉及到如何選擇合適的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式以及尋找跨語言的解決方案。

2. 有侵入性

傳統(tǒng)的服務(wù)治理解決方案可能需要對現(xiàn)有的微服務(wù)代碼進(jìn)行侵入性的修改或添加額外的依賴庫，以實現(xiàn)服務(wù)發(fā)現(xiàn)、負(fù)載均衡、故障轉(zhuǎn)移等功能。這樣的侵入性可能增加了開發(fā)團(tuán)隊的工作量，并且可能引入不必要的復(fù)雜性和風(fēng)險。

3. 重復(fù)建設(shè)

在大規(guī)模微服務(wù)架構(gòu)中，可能存在大量的微服務(wù)實例需要進(jìn)行服務(wù)治理。在傳統(tǒng)的方式下，每個微服務(wù)都需要重復(fù)構(gòu)建和維護(hù)自己的服務(wù)發(fā)現(xiàn)、負(fù)載均衡、故障轉(zhuǎn)移等功能，導(dǎo)致了重復(fù)建設(shè)的問題。這不僅浪費了開發(fā)資源，還增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和維護(hù)成本。

4. SDK 版本碎片化

當(dāng)微服務(wù)通過共享的 SDK 進(jìn)行通信時，不同微服務(wù)可能使用不同版本的 SDK。這導(dǎo)致了 SDK 版本碎片化的問題，可能會導(dǎo)致兼容性和一致性方面的挑戰(zhàn)。當(dāng)需要更新 SDK 版本或解決 SDK 中的漏洞時，需要協(xié)調(diào)和管理各個微服務(wù)的 SDK 版本，這增加了額外的復(fù)雜性和風(fēng)險。

5. 跨機房、跨地域調(diào)度

在分布式系統(tǒng)中，微服務(wù)可能部署在不同的機房或地域中。在進(jìn)行跨機房或跨地域的調(diào)度時，需要考慮網(wǎng)絡(luò)延遲、帶寬限制等因素，以確保微服務(wù)之間的通信效率和質(zhì)量。這需要一種靈活而智能的調(diào)度策略，能夠根據(jù)實際情況進(jìn)行動態(tài)的負(fù)載均衡和故障轉(zhuǎn)移。

演進(jìn)趨勢

1. 擴展性

Service Mesh 提供了一系列的功能來增強微服務(wù)的擴展性。這包括熔斷、限流、超時控制、灰度發(fā)布和故障注入等機制，以確保微服務(wù)在面對高負(fù)載、異常情況或部分故障時能夠保持穩(wěn)定和可靠。Service Mesh 支持多種通信協(xié)議，如 HTTP、gRPC、Dubbo、Thrift 等，使得這些功能可以適用于不同類型的微服務(wù)。

2. 連通性

Service Mesh 提供了強大的連接管理功能，確保微服務(wù)之間的連通性。它通過服務(wù)發(fā)現(xiàn)和負(fù)載均衡機制，使得微服務(wù)能夠自動發(fā)現(xiàn)和定位其他微服務(wù)，并能夠?qū)崿F(xiàn)跨不同語言和技術(shù)棧的通信。Service Mesh 還提供了智能路由和流量控制功能，以便在微服務(wù)之間實現(xiàn)靈活的流量轉(zhuǎn)發(fā)和負(fù)載均衡策略。

3. 性能與資源

Service Mesh 關(guān)注微服務(wù)架構(gòu)的性能和資源管理。它通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)通信、請求處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娴男阅埽岣呶⒎?wù)的響應(yīng)速度和吞吐量。同時，Service Mesh 還提供了對微服務(wù)的監(jiān)控、追蹤和日志記錄功能，以便進(jìn)行性能分析、故障排查和容量規(guī)劃等任務(wù)。通過對資源的細(xì)粒度管理和調(diào)控，Service Mesh 可以有效地提高微服務(wù)架構(gòu)的資源利用率和效率。

4. 易用性

Service Mesh 設(shè)計了一套簡潔易用的接口和控制平面，使得開發(fā)人員和運維人員可以輕松地配置、管理和監(jiān)控微服務(wù)。它提供了可視化的管理界面和命令行工具，簡化了配置和部署的流程。同時，Service Mesh 還支持自動化的服務(wù)注冊和發(fā)現(xiàn)，減輕了手動管理的負(fù)擔(dān)。通過這些易用性的特點，Service Mesh 提供了一種簡單而高效的方式來管理和維護(hù)微服務(wù)架構(gòu)。

Istio & FloMesh

1. 相同點

Istio 和 FloMesh 都使用了 sidecar 模型，它們具有這些優(yōu)點：解耦服務(wù)邏輯和網(wǎng)絡(luò)治理、統(tǒng)一的通信層、動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)治理、安全性和可觀測性增強、無侵入性。

但是在使用的同時也增加了一些損耗，具體可以從下面的示例圖中看出：sidecar 模型在服務(wù)之間進(jìn)行通訊的時候有三個 connection 需要維護(hù)。

2. 不同點

Istio 固有地支持諸如斷路、速率限制、超時控制、金絲雀部署和故障注入等機制。一旦正確安裝了 Istio，這些特性就可以開箱即用了。而 FloMesh 采取了不同的方法。它提供了一個基于 JavaScript 的可擴展性模型，允許開發(fā)人員根據(jù)他們的具體需求定制和擴展這些功能。通過編寫 JavaScript 代碼，F(xiàn)loMesh 實現(xiàn)了對這些機制的細(xì)粒度控制，給予開發(fā)人員更多的靈活性，并使其能夠根據(jù)自己的獨特需求進(jìn)行調(diào)整。

在 Istio 和 FloMesh 之間的選擇應(yīng)該基于你的具體需求和優(yōu)先事項。Istio 提供了具有廣泛內(nèi)置特性的健壯和成熟的服務(wù)網(wǎng)格解決方案，而 FloMesh 為那些尋求對其服務(wù)網(wǎng)格功能進(jìn)行細(xì)粒度控制的人提供了更可定制的方法。考慮諸如易用性、開發(fā)靈活性。

看看下面的圖或許就能夠理解了設(shè)計的區(qū)別：

未來

1. Wasm sidecar

采用 WebAssembly (Wasm) sidecar 形式相對于傳統(tǒng)的 sidecar 具有以下優(yōu)勢：

跨平臺兼容性：Wasm 是一種可移植的二進(jìn)制格式，可以在不同的操作系統(tǒng)和架構(gòu)上運行。使用 Wasm sidecar 可以輕松實現(xiàn)跨平臺部署，而無需擔(dān)心依賴于特定環(huán)境的問題。

輕量高效：Wasm 代碼通常比傳統(tǒng)的 sidecar 容器更小、更輕量，因為它是一種二進(jìn)制指令格式。這使得 Wasm sidecar 在啟動時間和資源消耗方面表現(xiàn)更加高效，提供更快的響應(yīng)和更低的延遲。

安全性：Wasm 提供了一種沙箱環(huán)境，在其中運行代碼可以被有效地隔離和限制。使用 Wasm sidecar 可以增加安全性，因為它可以將應(yīng)用程序與主機環(huán)境隔離開來，防止惡意代碼的影響。

可擴展性：由于 Wasm 的靈活性，可以使用多種編程語言編寫 Wasm 模塊，而不僅僅局限于特定的編程語言或框架。這使得開發(fā)人員能夠選擇最適合他們需求的語言和工具，并提供更大的靈活性和可擴展性。

2. Ambient Mesh

通過采用每個節(jié)點的代理模型，我們能夠擺脫其中一個代理的需求，因為我們不再依賴于在每個工作負(fù)載內(nèi)運行一個附屬容器。這種轉(zhuǎn)變帶來了 ambient mesh 相對于 sidecar 模型的幾個顯著優(yōu)勢。

首先，使用 ambient mesh，我們可以減少運行在每個工作負(fù)載內(nèi)的附屬容器數(shù)量，從而減輕了系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)和復(fù)雜性。

其次，ambient mesh 不再依賴于每個工作負(fù)載的 sidecar 容器，這意味著我們不再需要為每個工作負(fù)載額外的連接。雖然仍然需要一些額外的連接，但這比始終需要兩個額外連接要好得多。

最重要的是，ambient mesh 提供了更靈活的部署選項。由于不再需要在每個工作負(fù)載內(nèi)運行附屬容器，我們可以更輕松地將應(yīng)用程序部署到不同的環(huán)境中，而無需過多的修改。

3. eBPF

在每個工作負(fù)載中運行附屬容器會導(dǎo)致大量的代理實例，即使每個代理實例的內(nèi)存占用已經(jīng)進(jìn)行了優(yōu)化，但實例數(shù)量的增加仍會對整體系統(tǒng)造成重大影響。此外，每個代理還要維護(hù)諸如路由和終端點表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，隨著集群規(guī)模的增長，這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也會增加，導(dǎo)致每個代理所消耗的內(nèi)存隨著集群規(guī)模的擴大而增加。為了解決這個問題，一些服務(wù)網(wǎng)格嘗試將部分路由表推送到各個代理中，以限制它們的路由范圍。

eBPF 是一種靈活的內(nèi)核擴展框架，它允許在內(nèi)核空間中執(zhí)行自定義的網(wǎng)絡(luò)過濾和處理邏輯。相比于運行在用戶空間的附屬容器，eBPF 的運行開銷更低，因為它直接在內(nèi)核中執(zhí)行，避免了用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間的頻繁切換。

采用 eBPF 而不使用附屬容器具有輕量高效、低延遲、強大的可編程性、節(jié)省系統(tǒng)資源以及簡化部署和管理的優(yōu)勢。這使得 eBPF 成為一種強大的工具，在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實現(xiàn)高性能和靈活的網(wǎng)絡(luò)處理和功能成為可能。

總結(jié)

微服務(wù)架構(gòu)中的應(yīng)用程序網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)微服務(wù)之間分布式通信的關(guān)鍵。為了建立高效可靠的通信，需要具備適應(yīng)各種逆境的韌性。此外，可觀察性和安全性也是微服務(wù)通信中的重要方面。

服務(wù)網(wǎng)格位于應(yīng)用程序?qū)?，與微服務(wù)并行工作，攔截和管理微服務(wù)之間的通信。它能實現(xiàn)細(xì)粒度的流量控制、收集豐富的遙測數(shù)據(jù)以實現(xiàn)可觀察性，并強制實施微服務(wù)之間的安全通信。一些常見的服務(wù)網(wǎng)格技術(shù)包括 Istio、FloMesh 和 Linkerd，它們與 Kubernetes 緊密集成，增強其功能，滿足現(xiàn)代微服務(wù)架構(gòu)的要求。