istio的原理和功能介绍
1 什么是Istio
当前我们已经完成从单体的应用程序向微服务架构的转型，未来还可能会面临更多的分布式场景需求。以往只需要运行好一个单体的应用，现在却面临着对整体服务网络管理，随着规模和复杂度的不断增长，服务网络势必会越来越难以理解和管理。那么我们如何去应对这些挑战呢？这就是Istio所能为我们解决的问题。
忘了在哪看到过类似的话了，开发人员应该把更多的精力放在对业务和功能的实现上，而不是被繁琐的日志、监控、测试等辅助模块所禁锢。事实上，我们启用Redis、Grpc、Iris等——正是在往这个简化开发步骤的方向走，总不能每开发一个应用都得实现一套TCP/IP通讯、实现一套红黑树或跳表吧。而Istio则为我们把这件事执行的更彻底。让我们看看Istio到底能干啥？
Istio lets you connect, secure, control, and observe services.官方给出的Istio的总结，很简单明了。连接、安全、控制和观测服务。换个思路来讲，Istio针对现有的服务网络，提供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，从而开发人员可以将更多的精力放在核心的业务逻辑上，以下是Istio的核心功能概述：
• HTTP、gRPC、WebSocket 和 TCP 流量的自动负载均衡。
• 通过丰富的路由规则、重试、故障转移和故障注入，可以对流量行为进行细粒度控制。
• 可插入的策略层和配置 API，支持访问控制、速率限制和配额。
• 对出入集群入口和出口中所有流量的自动度量指标、日志记录和追踪。
• 通过强大的基于身份的验证和授权，在集群中实现安全的服务间通信。
2 架构和原理
上面是官方给的架构图，核心组件有：Proxy代理、Mixer混合器、Pilot引导、Citadel堡垒，以及Galley。
2.1 Proxy代理
Istio的核心原理，是网络代理，拦截下所有想拦截的流量，然后想干啥就干啥吧。
Istio使用的代理组件是Lyft团队的Envoy，一个C++开发的高性能代理。这是Lyft在Istio项目里的唯一贡献，却让Lyft排在跟Google/IBM并列的位置，可想而知Envoy对Istio的重要性。
Envoy之所以有能力拦截下所有的流量，是因为它被设计为部署在每一个需要管理的Pod里，作为一个独立容器存在，支持通过配置iptables或cni网桥两种方式来拦截流量（这里也不展开说了，还不明白的同学可以翻看我之前发的k8s底层网络的说明，看看Flannel的实现原理），请看上图，Business-manager容器的请求发出时，会经过本Pod的Enovy代理，Enovy完成规则校验、数据采集、日志等操作后，再转发出去；值得注意的是，请求方Enovy转发出去的流量会发送给接收方的Enovy，之后才有可能到达真正的接收方data-product容器。当然这些操作是Istio的活，我们要做的仅仅是通过配置的形式告诉Istio我们要对哪些流量做什么动作。
通过对拦截下来的流量的解析和修改（是的，理论上什么都能干，包括修改甚至丢弃流量），Envoy包括但不限于以下功能：
• 动态服务发现
• 负载均衡
• TLS 终止
• HTTP/2 & gRPC 代理
• 熔断器
• 健康检查、基于百分比流量拆分的灰度发布
• 故障注入
• 丰富的度量指标
2.2 Mixer混合器
顾名思义，Mixer混合了各种策略以及后端数据采集或遥测系统的适配器，从而实现了前端Proxy与后端系统的隔离与汇合。Mixer是一个灵活的插件模型（有没有发现无论是k8s还是Istio，实现上都很青睐于插件模型，这是一个很灵活的实现方式），它一端连着Envoy，同时我们可以将日志、监控、遥测等各种系统“插入”到Mixer的另一端中，从而得到我们想要的数据或结果。
我们来看下官方的Mixer拓扑图，Mixer被设计为一个独立运行的模块，它可以“插入”logging日志、quota指标、auth安全认证、Tele遥测等很多模块。每插入一个模块都会在前端生成一个规则过滤器。前端的Enovy在每次流量到来时，都会请求Mixer，匹配每一个过滤器。
这就涉及到性能问题了，所以Istio在这个拓扑下设计了一个二级缓存系统。Envoy端在每个Pod里有一个一级缓存，当然这个缓存不能太大；Mixer端会有一个二级缓存，由于Mixer是独立运行的，所以这个缓存可以设计的比较大。这样Envoy可以预先缓存一部分规则，只有当规则缺失时才需要向Mixer请求，这就减少了每次流量到来的网络请求次数；另一方面，日志等数据上送，也是异步执行的，先经过一级缓存、二级缓存再到达后端存储或处理系统。
2.3 Pilot引导
简单来说，Pilot是为我们提供配置智能路由（如A/B测试、金丝雀发布等）、弹性（超时、重发、熔断等）等功能的管理系统，它提供了一系列rules api，允许运维人员指定一系列高级的流量管理规则。Pilot负责将我们的配置转换并写入到每个sidecar（Enovy）。
2.4 Citadel堡垒
这个名字也很有意思，它管理着集群的密钥和证书，是集群的安全部门。典型的如果我们的服务是跨网络通讯（Istio允许我们建立一个安全的集群的集群网络），开发人员想省事懒得对通讯数据进行加解密和身份认证，这事就可以交给Citadel来处理了。更详细的说，Istio各个模块在安全性上分别扮演以下角色：
• Citadel，用于密钥和证书管理
• Sidecar和周边代理，实现客户端和服务器之间的安全通信
• Pilot，将授权策略和安全命名信息分发给代理
• Mixer，管理授权和审计
这一块应该暂时用不上，也不展开说了。
2.5 Galley
这个不知道咋翻译，目前这个组件的作用是验证用户编写的Istio api配置。从官网的说法来看，后面这个组件会逐步接管获取配置、处理和分配的工作，比如从k8s的数据中心（etcd）获取集群信息的活，理论上应该交给Galley干。从这个信息来看，Galley的定位应该类似于k8s的api server组件，提供集群内统一的配置信息接口，从而将用户配置的细节隔离开来。
3 功能列表
以下是从官网各项示例中整理出来的Istio所支持的功能列表：
| 类别 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|
| 流量管理 | 请求路由 | A/B测试、金丝雀发布等，包括对集群出入口、及集群内部的流量的控制。比如某应用新版本发布，可以配置为5%的流量流向新版本，95%的给旧版本 |
| 流量转移 | 与上一条请求路由类似，可以平滑的将流量从旧版本转移到新版本上 | |
| 负载均衡 | 目前支持3种方式，轮询、随机和带权重的最少请求 | |
| 服务发现 | 带心跳的健康检查，失败率超标的Pod移出负载均衡池 | |
| 故障处理 | 超时、重发、熔断、上游并发请求或下游连接数限制等 | |
| 微调 | 支持用特殊的请求头参数，覆盖默认的超时、重发值 | |
| 故障注入 | 由Enovy在正常的集群中人为注入故障，比如TCP包损坏或延迟、HTTP错误码等，支持按百分比注入，比如给10%的流向服务A的请求包增加5秒延迟 | |
| 多重匹配 | 上述规则的配置，支持按多种条件匹配，且支持and或or的方式匹配多条规则 | |
| Gateway | 接管集群入口的流量，替代了Ingress，从而对入口流量执行其他规则 | |
| Service Entry | 接管集群内部访问外部服务的流量，从而对出口流量执行一些规则 | |
| 镜像 | 支持将特定的流量镜像到服务路径之外，而不影响主服务路径的正常执行 | |
| 安全 | 命名空间访问控制 | 支持配置某命名空间的所有或个别服务可以被其他命名空间访问 |
| 服务级别访问控制 | 允许或禁止访问某个服务 | |
| 双向TLS | HTTPS加密传输 | |
| 其他安全策略 | ||
| 策略 | 速率限制 | 比如限制每秒的请求次数 |
| 黑白名单 | 支持基于IP或属性的黑名单、白名单 | |
| 遥测 | 日志收集 | 支持将Prometheus、Jaeger等系统插入Mixer，从而完成数据的采集 |
| 指标采集 | ||
| 分布式追踪 |
4 性能评估
官方给出了对最新版本V1.1.4的性能测试结果。在由1000个服务和2000个sidecar组成，每秒产生70000个网格范围内的请求的网格中，得到以下结果：
• Envoy在每秒处理 1000 请求的情况下，使用 0.6 个 vCPU 以及 50 MB 的内存。
• istio-telemetry在每秒1000个网格范围内的请求的情况下，消耗了0.6个vCPU。
• Pilot使用了 1 个 vCPU 以及 1.5 GB 的内存。
• Envoy在第 90 个百分位上增加了 8 毫秒的延迟。
