基于阿里云 ASK 的 Istio 微服务应用部署初探

简介：本文会通过在 ASK 上试用 Istio 部署微服务应用的方式，来验证 ASK 对标准 Kubernetes 的兼容性。Istio 作为 Service Mesh（服务网格）的领导解决方案，一方面本身足够复杂具有代表性，另一方面它也代表了云原生时代微服务架构的趋势具有参考意义。

作者：王飞龙（不物）

目前 Kubernetes 已经成为业界容器编排系统的事实标准，基于 Kubernetes 的云原生应用生态（Helm, Istio, Knative, Kubeflow, Spark on Kubernetes 等）更是让 Kubernetes 成为云操作系统。在这样的背景下，Serverless 容器成为现有 Container as a Service 的进化方向之一，一方面通过 Serverless 方式根本性解决了 Kubernetes 自身的管理复杂性，让用户无需受困于 Kubernetes 集群容量规划、安全维护、故障诊断；另一方面也进一步释放了云计算的能力，将安全、可用性、可伸缩性等需求由基础设施实现。

ASK 作为阿里云 Serverless Kubernetes 平台[1]，不仅有免运维、秒级弹性、超大 Pod 容量、弹性预测等重磅能力，更重要的是它依然是一个标准 Kubernetes 平台。

本文会通过在 ASK 上试用 Istio 部署微服务应用的方式，来验证 ASK 对标准 Kubernetes 的兼容性。Istio 作为 Service Mesh（服务网格）的领导解决方案，一方面本身足够复杂具有代表性，另一方面它也代表了云原生时代微服务架构的趋势具有参考意义。

现在就让我们开始吧！

创建集群

试用 Istio 前，需要准备一个 ASK 集群。登录阿里云控制台，选择产品与服务 > 容器服务 Kubernetes 版，在左侧边栏选择集群进入集群列表页面。点击右上角创建集群开始创建集群，配置集群参数如下：

集群名称：hello-istio
集群规格：Pro 版
地域：美国（硅谷）
付费类型：按量付费
Kubernetes 版本：1.20.11-aliyun.1
专有网络：自动创建
Service CIDR：172.21.0.0/20
API Server 访问：标准型I（slb.s2.small）
使用 EIP 暴露 API Server：是
时区：Aisa/Shanghai（UTC+08:00）
服务发现：CoreDNS
使用日志服务：创建新 Project

确认配置后点击创建集群进入等待集群创建完成。Istio 依赖 DNS 服务，这里选择创建集群时默认安装 CoreDNS 组件。

集群创建完成后，进入集群列表 > hello-istio > 详情 > 集群信息 > 连接信息页面，复制公网访问内容到本地/tmp/kube/config 文件，并通过如下命令配置好 kubelet：

$ export KUBECONFIG=/tmp/kube/config

试用 Istio

kubectl 配置好后就可以开始在集群安装和试用 Istio。

下载 Istio

进入 Istio 发布页面[2]下载针对操作系统的安装文件，也可以通过如下命令下载并提取最新版本：

$ curl -L https://istio.io/downloadIstio | sh -

因为我本机~/bin 目录已加入 PATH，这里我将提取的 Istio 目录复制~/bin 目录，并建好软链接。

$ cp istio-1.13.3 ~/bin
$ cd ~/bin
$ ln -s istio-1.13.3/bin/istioctl
$ ls -al ~/bin/
total 28
drwxr-xr-x   5 feilong.wfl staff   160  5  4 22:40 ./
drwxr-xr-x+ 95 feilong.wfl staff  3040  5  8 22:30 ../
drwxr-x---   9 feilong.wfl staff   288  4 15 00:48 istio-1.13.3/
lrwxr-xr-x   1 feilong.wfl staff    25  5  4 22:40 istioctl -> istio-1.13.3/bin/istioctl*

如果 istioctl --help 命令输出正常，则 istioctl 已正确配置。

安装 Istio

本次安装采用 demo profile[3]，它包含了一组专为测试准备的功能集合，另外还有用户生产或性能测试的配置组合。

$ istioctl install --set profile=demo -y
✔ Istio core installed
✔ Istiod installed
✔ Egress gateways installed
✔ Ingress gateways installed
✔ Installation complete

给命名空间添加标签，指示 Istio 在部署应用的时候，自动注入 Envoy 边车代理：

$ kubectl label namespace default istio-injection=enabled
namespace/default labeled

部署示例应用

部署 Bookinfo 示例应用[4]：

$ kubectl apply -f ~/bin/istio-1.13.3/samples/bookinfo/platform/kube/bookinfo.yaml
service/details created
serviceaccount/bookinfo-details created
deployment.apps/details-v1 created
service/ratings created
serviceaccount/bookinfo-ratings created
deployment.apps/ratings-v1 created
service/reviews created
serviceaccount/bookinfo-reviews created
deployment.apps/reviews-v1 created
deployment.apps/reviews-v2 created
deployment.apps/reviews-v3 created
service/productpage created
serviceaccount/bookinfo-productpage created
deployment.apps/productpage-v1 created

检查 Pod 已就绪：

$ kubectl get pods
NAME                              READY   STATUS    RESTARTS   AGE
details-v1-79f774bdb9-t2jhq       2/2     Running   0          2m54s
productpage-v1-6b746f74dc-qc9lg   2/2     Running   0          2m46s
ratings-v1-b6994bb9-tmbh6         2/2     Running   0          2m51s
reviews-v1-545db77b95-xdhp4       2/2     Running   0          2m49s
reviews-v2-7bf8c9648f-4gn6f       2/2     Running   0          2m48s
reviews-v3-84779c7bbc-jfndj       2/2     Running   0          2m48s

要等待并确保所有的 Pod 达到此状态：就绪状态（READY）的值为 2/2 、状态（STATUS）的值为 Running。基于平台的不同，这个操作过程可能会花费几分钟的时间。

检查 Service 已就绪：

$ kubectl get services
NAME          TYPE        CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP   PORT(S)    AGE
details       ClusterIP   172.21.11.168   <none>        9080/TCP   59s
kubernetes    ClusterIP   172.21.0.1      <none>        443/TCP    33m
productpage   ClusterIP   172.21.0.124    <none>        9080/TCP   51s
ratings       ClusterIP   172.21.9.7      <none>        9080/TCP   57s
reviews       ClusterIP   172.21.13.223   <none>        9080/TCP   55s

确保网页服务正常。如果命令返回页面标题，则应用已在集群中运行。

$ kubectl exec "$(kubectl get pod -l app=ratings -o jsonpath='{.items[0].metadata.name}')" -c ratings -- curl -s productpage:9080/productpage | grep -o "<title>.*</title>"
<title>Simple Bookstore App</title>

对外开放服务

现在，BookInfo 应用已经部署，但还不能被外界访问。要开放访问，需要创建 Istio 入站网关（Ingress Gateway）, 它会把一个路径路由到网格内的服务。

把应用关联到 Istio 网关：

$ kubectl apply -f ~/bin/istio-1.13.3/samples/bookinfo/networking/bookinfo-gateway.yaml
gateway.networking.istio.io/bookinfo-gateway created
virtualservice.networking.istio.io/bookinfo created

2. 确保配置文件没有问题：

$ istioctl analyze
✔ No validation issues found when analyzing namespace: default.

确定入站 IP 和端口

使用如下命令为访问网关设置 INGRESS_HOST 和 INGRESS_PORT 两个变量：

$ export INGRESS_HOST=$(kubectl -n istio-system get service istio-ingressgateway -o jsonpath='{.status.loadBalancer.ingress[0].ip}')
$ export INGRESS_PORT=$(kubectl -n istio-system get service istio-ingressgateway -o jsonpath='{.spec.ports[?(@.name=="http2")].port}')
$ export SECURE_INGRESS_PORT=$(kubectl -n istio-system get service istio-ingressgateway -o jsonpath='{.spec.ports[?(@.name=="https")].port}')

设置变量 GATEWAY_URL，并确保 IP 地址和端口均成功的赋值给了该变量:

$ export GATEWAY_URL=$INGRESS_HOST:$INGRESS_PORT
$ echo "$GATEWAY_URL"
47.88.21.82:80

验证外部访问

运行下面命令，获取 Bookinfo 应用的外部访问地址：

$ echo "http://$GATEWAY_URL/productpage"
http://47.88.21.82:80/productpage

复制上面命令的输出地址到浏览器并访问，确认 Bookinfo 已经实现了外部访问。刷新页面，发现 Book Reviews 的显示样式会不断变化。

查看仪表盘

仪表盘能帮助了解服务网格的结构、展示网络的拓扑结构、分析网格的健康状态。

首先安装 Kiali 和其他插件，等待部署完成。

$ kubectl apply -f ~/bin/istio-1.13.3/samples/addons
$ kubectl rollout status deployment/kiali -n istio-system
Waiting for deployment "kiali" rollout to finish: 0 of 1 updated replicas are available...
deployment "kiali" successfully rolled out

访问 Kiali 仪表板。

$ istioctl dashboard kiali

3. 在左侧的导航菜单，选择 Graph，然后在 Namespace 下拉列表中，选择 default。

Kiali 仪表板展示了网格的概览、以及 Bookinfo 示例应用的各个服务之间的关系。它还提供过滤器来可视化流量的流动。

添加默认目标规则

使用 Istio 控制 Bookinfo 版本路由前，需要先在目标规则[5]中定义好可用的版本。运行以下命令为 Bookinfo 服务创建默认的目标规则：

$ kubectl apply -f ~/bin/istio-1.13.3/samples/bookinfo/networking/destination-rule-all.yaml
destinationrule.networking.istio.io/productpage created
destinationrule.networking.istio.io/reviews created
destinationrule.networking.istio.io/ratings created
destinationrule.networking.istio.io/details created

等待几秒钟，目标规则生效。您可以使用如下命令查看目标规则：

$ kubectl get destinationrules
NAME          HOST          AGE
details       details       30s
productpage   productpage   32s
ratings       ratings       31s
reviews       reviews       32s

路由所有流量到 v1 版本

运行以下命令创建 Virtual Service 将所有流量路由到微服务的 v1 版本：

$ kubectl apply -f ~/bin/istio-1.13.3/samples/bookinfo/networking/virtual-service-all-v1.yaml
virtualservice.networking.istio.io/productpage created
virtualservice.networking.istio.io/reviews created
virtualservice.networking.istio.io/ratings created
virtualservice.networking.istio.io/details created

您可以通过再次刷新 Bookinfo 应用程序的/productpage 页面测试新配置。请注意，无论您刷新多少次，页面的评论部分都不会显示评级星标。这是因为当前已将 Istio 配置为评论服务的所有流量路由到版本 reviews:v1，而此版本的服务不访问星级评分服务。

基于用户身份的路由

接下来将更改路由配置，实现将来自特定用户的所有流量路由到特定的服务版本。示例中来自名为 Jason 用户的所有流量将被路由到服务 review:v2。

Istio 对用户身份没有任何特殊的内置机制。本例中，productpage 服务在所有到 reviews 服务的 HTTP 请求中都增加了一个自定义的 end-user 请求头，从而达到效果。

运行以下命令以启用基于用户的路由：

$ kubectl apply -f ~/bin/istio-1.13.3/samples/bookinfo/networking/virtual-service-reviews-test-v2.yaml
virtualservice.networking.istio.io/reviews created

确保规则已创建：

$ kubectl get virtualservice reviews -o yaml
apiVersion: networking.istio.io/v1beta1
kind: VirtualService
metadata:
  annotations:
    kubectl.kubernetes.io/last-applied-configuration: |
      {"apiVersion":"networking.istio.io/v1alpha3","kind":"VirtualService","metadata":{"annotations":{},"name":"reviews","namespace":"default"},"spec":{"hosts":["reviews"],"http":[{"match":[{"headers":{"end-user":{"exact":"jason"}}}],"route":[{"destination":{"host":"reviews","subset":"v2"}}]},{"route":[{"destination":{"host":"reviews","subset":"v1"}}]}]}}
  creationTimestamp: "2022-05-15T16:05:55Z"
  generation: 1
  name: reviews
  namespace: default
  resourceVersion: "1984849"
  uid: f3bd3dcb-d83c-4a75-9511-1fc9308ca05b
spec:
  hosts:
  - reviews
  http:
  - match:
    - headers:
        end-user:
          exact: jason
    route:
    - destination:
        host: reviews
        subset: v2
  - route:
    - destination:
        host: reviews
        subset: v1

在 Bookinfo 应用程序的/productpage 上，以用户 jason 身份登录。刷新浏览器，看到每个评论旁边显示星级评分。

以其他用户身份登录，刷新浏览器。发现星级评分消失了。

原理和限制

数据平面，Istio 通过向 Pod 注入的 Sidecar 代理（istio-proxy）来负责协调和控制微服务之前的所有网络通信。为了让 Sidecar 代理（istio-proxy）劫持业务容器流量，Istio 需要向 Pod 所在网络下发 iptables 规则。常规安装模式下，iptables 规则下发是由 Istio 向 Pod 注入的初始化容器 istio-init 完成。向 Pod 网络下发 iptables 规则需要容器可以使用 NET_ADMIN 和 NET_RAW 两个高权限的能力（Capabilities）。ASK 集群中这两个高权限能力受 ASK Pod Security Policy[6]和 ECI Container Security Policy[7]的影响。

ASK Pod Security Policy 的 CAPS 为 *，表示没有限制。

$ kubectl get psp
NAME             PRIV   CAPS   SELINUX    RUNASUSER   FSGROUP    SUPGROUP   READONLYROOTFS   VOLUMES
ack.privileged   true   *      RunAsAny   RunAsAny    RunAsAny   RunAsAny   false            *

ECI Container Security Policy 允许通过容器安全上下文配置即可。Istio 中 Pod 注入模板文件~/bin/istio-1.13.3/manifests/charts/istio-control/istio-discovery/files/injection-template.yaml 包含如下代码：不启用 Istio CNI 插件[8]将添加 NET_ADMIN 和 NET_RAW 两个高权限能力：

securityContext:
  allowPrivilegeEscalation: {{ .Values.global.proxy.privileged }}
  privileged: {{ .Values.global.proxy.privileged }}
  capabilities:
{{- if not .Values.istio_cni.enabled }}
    add:
    - NET_ADMIN
    - NET_RAW
{{- end }}
    drop:
    - ALL

所以从原理上分析当前 ASK 集群使用 Istio 没有兼容性问题。

总结

本次在 ASK 上试用 Istio 这类高复杂度的软件，未发现兼容性问题。又从原理上正面分析论证了产生兼容性问题的可能性较低。因此，ASK 对原生 Kubernetes 还是有着极好的兼容性。后续将在 ASK 集群上深入探索 Istio 其他功能，以进一步验证 ASK 对原生 Kubernetes 的兼容性。

参考链接：

[1] 阿里云 Serverless Kubernetes

https://help.aliyun.com/document_detail/127525.html

[2] Istio 发布页面

https://github.com/istio/istio/releases/tag/1.13.3

[3] demo profile

https://istio.io/latest/docs/setup/additional-setup/config-profiles/

[4] Bookinfo 示例应用

https://istio.io/latest/zh/docs/examples/bookinfo/

[5] 目标规则

https://istio.io/latest/docs/concepts/traffic-management/#destination-rules)中定义好可用的版本

[6] ASK Pod Security Policy