Service Mesh 是下一代微服务架构

Service Mesh 背后的诉求

一种技术的出现必然是有各种推动的因素，Service Mesh 也一样，它的出现就得益于微服务架构的发展。那 Service Mesh 出现时，其背后的诉求是什么呢？

1. 微服务架构的复杂性

在微服务架构中，应用系统往往被拆分成很多个微服务（可以多达成百上千），数量庞大的微服务实例使得服务治理具有一定的挑战，比如说常见的服务注册、服务发现、服务实例的负载均衡，以及为了保护服务器实现熔断、重试等基础功能。除此之外，应用程序中还加上了大量的非功能性代码。

归根结底，在微服务架构中，微服务组件复杂、上手门槛比较高成了痛点问题。业务开发团队需要一定的学习周期才能上手微服务架构的开发，而人力资源的昂贵以及人员的流动性使得开发成本变高。业务开发团队更加擅长的是某一具体领域的业务，而不是技术的深度。应用系统的核心价值在于实现相应的业务，所以对于业务开发人员来说，微服务仅仅是手段，不是最终的目标。我们需要对业务开发人员“屏蔽”微服务的基础组件，使得微服务之间的通信对于业务开发人员透明。

为应对这个问题，有一些实践是利用 API 网关接收请求，网关作为代理处理外部服务的请求，并提供服务注册与发现、负载均衡、日志监控、容错等功能。然而，这种方案也存在不足，比如网关的单点故障、系统架构变得异常庞大；从功能来看，API 网关主要是面向用户，也就是说它可以解决从用户到各个后端服务的流量问题，至于其他问题，它可能就无能为力了。而我们需要的是一个完整的贯穿整个请求周期的方案，或者至少是一些能够与 API 网关互补的方案和工具。

2. 微服务本身的挑战

微服务还有其自身引入的复杂度，有比学习微服务框架更艰巨的挑战，如微服务的划分、设计良好的声明式 API、单体旧应用的迁移，还涉及跨多个服务的数据一致性，这都会令大部分团队疲于应付。

除此之外，版本兼容性也是一个挑战。微服务框架很难一开始就完美无缺，在现实的软件工程中一般不存在这样完美无缺的框架，功能会分为多个里程碑迭代，发布之后就会有补丁修复……没有任何问题，这只是一种理想状态。业务服务中引入微服务的基础组件，这样业务服务的代码和微服务的 SDK 强耦合在一起，导致业务升级和微服务 SDK 的升级强绑定在了一起。如果客户端 SDK 和服务器端版本不一致，那就得谨慎对待客户端与服务端的兼容性问题。版本兼容性的处理非常复杂，特别是在服务端和客户端数量庞大的情况下，每对客户端和服务端的版本都有可能不同，这对于兼容性测试也会造成很大的压力。同时，对于异构的系统，还需要开发多语言的 SDK，维护成本很高。

3. 本质

接下来我们探讨下业务服务最关心的是什么，比如写一个商品服务，对商品做增删改查的操作，你会发现基础设施、跨语言、兼容性和商品服务本身并没关系，而服务间的通讯才是最需要解决的问题。

比如，为了保证将客户端发出的业务请求发去一个正确的地方，需要用什么样的负载均衡？要不要做灰度？最终这些解决方案，都是让请求去访问正确的后端服务。整个过程当中，这个请求是从来不发生更改的。

既然在开发微服务的时候不用特别关心服务的通讯层，那是不是可以把微服务的技术栈向下移呢？

微服务的早期先驱，如 Netflix、Twitter 等大型互联网公司，它们通过建立内部库的方式处理这些问题，然后提供给所有服务使用。但这种方法的问题在于这些库相对来说是比较“脆弱”的，很难保证它们可以适应所有的技术堆栈选择，且很难把库扩展到成百上千个微服务中。

为了应对上述的问题，Service Mesh 出现了， Service Mesh 通过独立进程的方式隔离微服务基础组件，对这个独立进程升级、运维要比传统的微服务方式简单得多。

什么是 Service Mesh

Service Mesh（服务网格），最早在 2016 年 9 月，由开发 Linkerd 的 Buoyant 公司提出。2017 年，Linkerd 加入 CNCF，由 CNCF 托管孵化，Linkerd 是第一个加入 CNCF 的 Service Mesh 项目。Service Mesh 开始变得流行起来，特别是在技术社区，有人指出 Service Mesh 会是下一代的微服务架构基础。

关于 Service Mesh 的定义，目前比较认同的是 Buoyant 的 CEO William Morgan 在博客中给出的定义：

Service Mesh 是用于处理服务到服务通信的专用基础架构层。云原生有着复杂的服务拓扑，它负责可靠的传递请求。实际上，Service Mesh 通常是作为一组轻量级网络代理实现，这些代理与应用程序代码部署在一起，应用程序无感知。

Service Mesh 模式的核心在于将客户端 SDK 剥离，以 Proxy 独立进程运行，目标是将原来存在于 SDK 中的各种能力下沉，为应用减负，以帮助应用云原生化。

Service Mesh 的第一代产品，如 Linkerd 1 和 Envoy，天然支持虚拟机。随着云原生的崛起，到了 Istio 和 Linkerd 2 ，不支持虚拟机。相比虚拟机，Kubernetes 提供了太多便利。 绝大部分Service Mesh 的实现都支持 Kubernetes，有些实现甚至只支持 Kubernetes。就这样，Service Mesh 逐步发展为一个独立的基础设施层。

在云原生架构下，应用系统可能由数百个微服务组成，微服务一般又是多实例部署，并且每一个实例都可能处于不断变化的状态，因为它们是由 Kubernetes 之类的资源调度系统动态调度。 Kubernetes 中的 Service Mesh 实现模式被命名为 Sidecar（边车模式，因为类似连接到摩托车的边车）。

在模式库中，Sidecar 模式的定义是：将应用程序的组件部署到单独的进程或容器中以提供隔离和封装。这种模式还可以使应用程序由异构组件和技术组成。

在 Sidecar 模式中，“边车”与父应用程序（即业务服务）是两个独立的进程，二者生命周期相同，同时被创建和退出。“边车”附加到业务服务，并为应用提供支持功能。

业务所有的流量都转发到 Service Mesh 的代理服务 Sidecar 中，Sidecar 承担了微服务框架基础的功能，包括服务注册与发现、负载均衡、熔断限流、认证鉴权、日志、监控和缓存加速等。不同的是，Service Mesh 强调的是通过独立进程的代理方式。总体来说，Service Mesh 帮助应用程序在复杂的软件架构和网络中建立稳定的通信机制。

Service Mesh 的开源组件

近几年 Service Mesh 社区比较活跃，其对应的开源组件也很丰富，从最早的 Linkerd 到当前火热的 Istio、Envoy 等组件，下面我们就来重点介绍下这三个开源组件。

1. Istio

Istio 由 Google、IBM 和 Lyft 合作开源，所以 Istio 自诞生之日起就备受瞩目。在 Istio 中，直接使用了 Lyft 公司的 Envoy 作为 Sidecar。2017 年 5 月 Istio 发布了 0.1 版本，现在已经发展到 1.9 版本。Istio 是 Service Mesh 的第二代产品，在刚开始发布时还曾计划提供对非 Kubernetes 的支持，发展到现在基本只支持 Kubernetes 上的使用，实质性取消了对虚拟机的支持。

Istio 功能十分丰富，包括：

流量管理：Istio 的基本功能，Istio 的流量路由规则使得你可以轻松控制服务之间的流量和 API 调用。

策略控制：应用策略并确保其得到执行，并且资源在消费者之间公平分配。

可观测性：通过自动链路追踪、监控和服务的日志，可以全面了解受监视服务如何与其他服务以及 Istio 组件本身进行交互。

安全认证：通过托管的身份验证，授权和服务之间通信的加密自动保护服务。Istio Security 提供了全面的安全解决方案来解决这些问题。

Istio 针对现有的服务网络，提供了一种简单的方式将连接、安全、控制和观测的模块，与应用程序或服务隔离开来，从而使开发人员可以将更多的精力放在核心的业务逻辑上。另外，Istio 直接基于成熟的 Envoy 代理进行构建，控制面组件则都是使用 Go 编写，在不侵入应用程序代码的前提下实现可视性与控制能力。总之，Istio 的设计理念是非常新颖前卫的。

2. Linkerd

2016 年 1 月，前 Twitter 工程师 William Morgan 和 Oliver Gould 组建了一个名为 Buoyant 的公司，同时在 GitHub 上发布了 Linkerd 0.0.7 版本。Linkerd 由 Buoyant 推出，使用 Scala 语言实现，是业界第一个 Service Mesh。2017 年 1 月，Linkerd 加入 CNCF； 4 月，发布了 1.0 版本。

Linkerd 的架构由两部分组成：数据平面和控制平面。其中，数据平面由轻量级代理组成，它们作为 Sidecar 容器与服务代码的每个实例一起部署；控制平面是一组在专用 Kubernetes 命名空间中运行的服务（默认情况下）。这些服务承担聚合遥测数据、提供面向用户的 API、向数据平面代理提供控制数据等功能，它们共同驱动着数据平面的行为。

Linkerd 作为 Service Mesh 的先驱开源组件，在生产环境得到了大规模使用。Linkerd 2 的定位是 Kubernetes 的 Service Mesh，其提供了运行时调试、可观察性、可靠性和安全性，使得运行服务变得更容易、更安全，而无须更改代码。但是随着 Istio 的诞生，前景并不是特别乐观。

3. Envoy

2016 年 9 月，Lyft 公司开源 Envoy ，并在 GitHub 上发布了 1.0.0 版本。Envoy 由 C++ 实现，性能和资源消耗上表现优秀。2017 年 9 月，Envoy 加入 CNCF，成为继 Linkerd 之后的第二个 Service Mesh 项目。Envoy 发展平稳，被 Istio 收编之后，Envoy 将自身定义为数据平面，并希望使用者可以通过控制平面来为 Envoy 提供动态配置。Envoy 用于云原生应用，为应用服务提供高性能分布式代理，以及作为大规模微服务架构的 Service Mesh 通信总线和通用数据平面。

结束福利

开源实战利用 k8s 作微服务的架构设计代码：

https://gitee.com/damon_one/spring-cloud-k8s
https://gitee.com/damon_one/spring-cloud-oauth2
https://gitee.com/damon_one/Springcloud-Learning-Dalston

欢迎大家 star，多多指教。

关于作者

  笔名：Damon，技术爱好者，长期从事 Java 开发、Spring Cloud 的微服务架构设计，以及结合 Docker、K8s 做微服务容器化，自动化部署等一站式项目部署、落地。目前主要从事基于 K8s 云原生架构研发的工作。Golang 语言开发，长期研究边缘计算框架 KubeEdge、调度框架 Volcano 等。公众号 交个朋友之猿天地 发起人。个人微信 DamonStatham，星球：《交个朋友之猿田地》，个人网站：交个朋友之猿天地 | 微服务 | 容器化 | 自动化，欢迎來撩。

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