作者 ｜ 宋净超
本文是 “2021 年度技术盘点” 系列文章之一，主要介绍服务网格在2021年的重要进展。
“2021年终技术盘点”是掘金推出的重磅企划，涵盖Serverless、Service Mesh、大前端、数据库、人工智能、低代码、边缘计算等众多技术领域。看过去，向未来，回顾IT技术在2021年的发展情况，盘点IT技术的重大事件，展望IT技术的未来趋势。同时，我们将开启第15期技术主题征文活动，一起来聊聊你眼中的2022年技术趋势吧！
前言
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。
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。
图：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。
图：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。
表：服务网格的部署模式
| 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”。 |
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：
- 2 月，首个 Istio 发行版， Tetrate Istio Distro（TID） 发布；
- 2 月，第一届 IstioCon 在线上举办，2000 多人参与了会议；
- 3 月，首个免费的线上 Istio 基础教程发布；
- 5 月，首个 Istio 管理员认证考试（CIAT）发布；
- 5 月，ServiceMeshCon Europe 在线上举办；
- 7 月，Istio Meetup China 在北京举办，100 多人现场参加；
- 10 月，ServiceMeshCon North America 在洛杉矶举办；
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。 | 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 | |
| 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 |
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，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
- 告别 Sidecar——使用 eBPF 解锁内核级服务网格
- 网易开源 Istio 扩展项目 Slime 简介——基于 Istio 的智能服务网格管理器
- Istio 1.12 引入 Wasm 插件配置 API 用于扩展 Istio 生态
- 基于 GRPC 和 Istio 的无 Sidecar 代理的服务网格
- eBPF 如何简化服务网格
- 使用 Isito 前的考虑要素
作者介绍
宋净超，Tetrate 布道师，ServiceMesher 及云原生社区创始人，CNCF 大使，云原生倡导者。个人博客 jimmysong.io。
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