服务网格 2021 年终盘点：实用当先，生态为本

本文带您回顾了 2021 年服务网格的发展。

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随着服务网格架构理念的深入人心，它的适用场景也慢慢为众人所了解，社区中也不乏争论，甚至是质疑的声音。笔者以在云原生和服务网格社区中多年的观察，将从亲历者的角度总结服务网格在 2021 年的进展。因为当前在国内 Istio 几乎是服务网格的代名词，本文也将主要从 Istio 的技术和生态层面来解读服务网格在 2021 年的发展。

服务网格：云原生的核心技术之一

作为 CNCF 定义的云原生关键技术之一，服务网格发展至今已经有五个年头了，其发展经历了以下几个时期：

  • 探索阶段：2017 年 -2018 年
  • 早期采用者阶段：2019 年 -2020 年
  • 大规模落地及生态发展阶段：2021 年至今

如果根据“跨越鸿沟”理论，服务网格已经跨越了“鸿沟”，处于“早期大众”和“晚期大众”阶段之间。根据《Istio 大咖说》观众中的反馈来看，用户已不再盲从于新技术，开始辩证的考虑是否真的需要引入服务网格。

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跨越鸿沟理论

云原生的发展方兴未艾，虽然不断有新的技术和产品出现，但作为整个云原生技术栈的一部分，服务网格在过去一年里不断夯实了它作为“云原生网络基础设施”的定位。下图展示了云原生技术栈模型，其中每一层有一些代表性的技术来定义标准。作为新时代的中间件，服务网格与其他云原生技术交相辉映，如 Dapr（分布式应用程序运行时）定义云原生中间件的能力模型，OAM 定义云原生应用程序模型等，而服务网格定义的是云原生七层网络模型。

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云原生技术栈

社区焦点

过去一年中，社区的焦点主要集中在以下几个方面：

  • 性能优化：服务网格在大规模应用场景下的性能问题；
  • 协议扩展：让服务网格支持任意七层网络协议；
  • 部署模式：Proxyless vs Node 模式 vs Sidecar 模式；
  • 引入 eBPF：将服务网格的部分能力下沉到内核层；

性能优化

Istio 设计之初的目标就是通过“原协议转发”的方式服务于服务间流量，让服务网格尽可能对应用程序“透明”，从而使用了 IPtables 劫持流量，根据社区提供的测试结果，对于在 16 个连接上具有 1000 RPS 的网格，Istio 1.2 仅增加了 3 毫秒的基准延迟。但是，因为 IPtables conntrack 模块所固有的问题，随着网格规模的扩大，Istio 的性能问题开始显现。关于 Istio sidecar 的资源占用及网络延迟的性能优化，社区给出了以下解决方案：

  • Sidecar 配置：通过手动或在控制平面增加一个 Operator 的方式来配置服务的依赖项，可以减少向 Sidecar 中下发的服务配置数量，从而降低数据平面的资源占用；为了更加自动和智能地配置 Sidecar，开源项目 Slime 及 Aeraki 都给出了各自的配置懒加载方案；
  • 引入 eBPF：eBPF 可以作为优化服务网格性能的一种可行性方案，有基于 Cilium 的初创公司甚至激进的提出使用 eBPF/Cilium 完全替换 Sidecar 代理的策略，但事实上 Envoy 代理/xDS 协议已经成为服务网格实现的实际代理，且很好的支持七层协议。eBPF 可用来改善网络性能，但复杂的协议协商、解析和用户扩展在用户侧依然很难实现。

协议扩展

如何扩展 Istio 一直以来就是一个老大难的问题。Istio 的可扩展包含两方面：

  • 协议层面：让 Istio 支持所有七层协议
  • 生态层面：让 Istio 可以运行更多的插件

Istio 使用的是 Envoy 作为数据平面，扩展 Istio 本质上就是对 Envoy 功能的扩展。Istio 官方目前给出的方案是使用 WebAssembly，并在 Istio 1.12 引入 Wasm 插件配置 API 用于扩展 Istio 生态，Istio 的扩展机制使用 Proxy-Wasm 应用二进制接口（ABI）规范，提供了一套代理无关的流媒体 API 和实用功能，可以用任何有合适 SDK 的语言来实现。截至目前，Proxy-Wasm 的 SDK 有 AssemblyScript（类似 TypeScript）、C++、Rust、Zig 和 Go（使用 TinyGo WebAssembly 系统接口）。

目前 WebAssembly 扩展应用还比较少，很多企业选择自定义 CRD，基于 Istio 构建服务网格管理平面。另外，让 Istio 支持异构环境，适用于一切工作负载，如虚拟机、容器，这个对于终端用户来说也有很强的需求，因为这可以让用户很方便的从传统负载迁移应用到服务网格中。最后是多集群、多网格的混合云流量管理，这个属于比较高阶的需求了。

部署模式

在服务网格概念兴起之初就有 Per-node 和 Sidecar 模式之争，他们的代表分别是 Linkerd 和 Istio。后来 eBPF 提出将服务网格下沉的内核，从而演化出了更多的服务网格部署模式，如下图所示。

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服务网格的部署模式

下表中详细对比了这四种部署方式，它们各有优劣，具体选择哪种根据实际情况而定。

模式 内存开销 安全性 故障域 运维
Sidecar 代理 因为为每个 pod 都注入一个代理，所以开销最大。 由于 sidecar 必须与工作负载一起部署，工作负载有可能绕过 sidecar。 Pod 级别隔离，如果有代理出现故障，只影响到 Pod 中的工作负载。 可以单独升级某个工作负载的 sidecar 而不影响其他工作负载。
节点共享代理 每个节点上只有一个代理，为该节点上的所有工作负载所共享，开销小。 对加密内容和私钥的管理存在安全隐患。 节点级别隔离，如果共享代理升级时出现版本冲突、配置冲突或扩展不兼容等问题，则可能会影响该节点上的所有工作负载。 不需要考虑注入 Sidecar 的问题。
Service Account/节点共享代理 服务账户/身份下的所有工作负载都使用共享代理，开销小。 工作负载和代理之间的连接的认证及安全性无法保障。 节点和服务账号之间级别隔离，故障同“节点共享代理”。 同“节点共享代理”。
带有微代理的共享远程代理 因为为每个 pod 都注入一个微代理，开销比较大。 微代理专门处理 mTLS，不负责 L7 路由，可以保障安全性。 当需要应用 7 层策略时，工作负载实例的流量会被重定向到 L7 代理上，若不需要，则可以直接绕过。该 L7 代理可以采用共享节点代理、每个服务账户代理，或者远程代理的方式运行。 同“Sidecar 代理”。
服务网格的部署模式

生态发展

2021 年，Istio 社区也是精彩纷呈，举办了系列的活动，还发布了系列教程：

此外还有众多与 Istio 服务网格相关的项目开源，如下表所示。

项目名称 开源时间 类别 描述 主导公司 Star 数量 与 Istio 的关系
Envoy 2016 年 9 月 网络代理 云原生高性能边缘/中间服务代理 Lyft 18700 默认的数据平面
Istio 2017 年 5 月 服务网格 连接、保护、控制和观察服务。 Google 29100 控制平面
Linkerd2 2017 年 12 月 服务网格 适用于 Kubernetes 的轻量级服务网格。 Buoyant 7900 服务网格的另一种实现
Emissary Gateway 2018 年 2 月 网关 用于微服务的 Kubernetes 原生 API 网关，基于 Envoy 构建 Ambassador 3600 可连接 Istio
APISIX 2019 年 6 月 网关 云原生 API 网关 API7 8100 可作为 Istio 的数据平面运行也可以单独作为网关
MOSN 2019 年 12 月 代理 云原生边缘网关及代理 蚂蚁 3500 可作为 Istio 数据平面
Slime 2021 年 1 月 扩展 基于 Istio 的智能服务网格管理器 网易 236 为 Istio 增加一个管理平面
Tetrate Istio Distro 2021 年 2 月 工具 Istio 集成和命令行管理工具 Tetrate 95 第一个 Istio 开源发行版和多版本管理工具
Aeraki 2021 年 3 月 扩展 管理 Istio 的任何七层负载 腾讯 330 扩展多协议支持
Layotto 2021 年 6 月 运行时 云原生应用运行时 蚂蚁 393 可以作为 Istio 的数据平面
Hango Gateway 2021 年 8 月 网关 基于 Envoy 和 Istio 构建的 API 网关 网易 253 可与 Istio 集成
Istio 开源生态
注：数据统计截止到 2022 年 1 月 6 日。

总结

回望 2021 年，我们可以看出用户对服务网格的追求更趋实用，作为云原生网络的基础设施，其地位得到进一步夯实，更重要的是服务网格生态渐起。展望 2022 年，有两个值得关注的技术是 eBPF 和 WebAssembly。我们有理由相信，更多的服务网格实践优秀案例出现，在生态和标准化上更进一步。

参考

最后更新于 2024/12/12

Service Mesh