大规模服务网格性能优化 | Aeraki xDS 按需加载腾讯云

作者钟华，腾讯云专家工程师，Istio project member、contributor，专注于容器和服务网格，在容器化和服务网格生产落地方面具有丰富经验，目前负责 Tencent Cloud Mesh 研发工作。
Istio 在大规模场景下 xDS 性能瓶颈 xDS 是 istio 控制面和数据面 envoy 之间的通信协议，x 表示包含多种协议的集合，比如：LDS 表示监听器，CDS 表示服务和版本，EDS 表示服务和版本有哪些实例，以及每个服务实例的特征，RDS 表示路由。可以简单的把 xDS 理解为，网格内的服务发现数据和治理规则的集合。xDS 数据量的大小和网格规模是正相关的。
当前 istio 下发 xDS 使用的是全量下发策略，也就是网格里的所有 sidecar，内存里都会有整个网格内所有的服务发现数据。比如下图，虽然 workload 1 在业务逻辑上只依赖 service 2，但是 istiod 会把全量的服务发现数据（service 2、3、4）都发送给 workload 1。

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这样的结果是，每个 sidecar 内存都会随着网格规模增长而增长，下图是我们对网格规模和内存消耗做的一个性能测试，x 轴是网格规模，也就是包含多少个服务实例，y 轴是单个 envoy 的内存消耗。可以看出，如果网格规模超过 1万个实例，单个 envoy 的内存超过了 250 兆，而整个网格的开销还要再乘以网格规模大小。
【大规模服务网格性能优化 | Aeraki xDS 按需加载】
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Istio 当前优化方案针对这个问题，社区提供了一个方案，就是 Sidecar 这个 CRD，这个配置可以显式的定义服务之间的依赖关系，或者说可见性关系。比如下图这个配置的意思就是 workload 1 只依赖 service 2 ，这样配置以后，istiod 只会下发 service 2 的信息给 workload 1。

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这个方案本身是有效的。但这种方式在大规模场景下很难落地：首先这个方案需要用户提前配置服务间完整的依赖关系，大规模场景下的服务依赖关系很难梳理清楚，而且通常依赖关系也会随着业务的变化而变化。
Aeraki Lazy xDS 针对上述问题，TCM 团队设计了一套无入侵的 xDS 按需加载方案，并开源到 github Aeraki 项目，这是 Lazy xDS 具体的实现细节：

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我们在网格里增加2个组件，一个是 Lazy xDS Egress，Egress 充当类似网格模型中默认网关角色，另一个是 Lazy xDS Controller，用来分析并补全服务间的依赖关系。

首先配置 Egress 的服务中转能力：Egress 会获取网格内所有服务信息，并配置所有 HTTP 服务的路由，这样充当默认网关的 Egress 就可以转发网格内任意 HTTP 服务的流量。
第2步，对于开启了按需加载特性的服务（图中 Workload 1），利用 envoyfilter，将其访问网格内 http 服务的流量，都路由到 egress。
第3步，利用 istio sidecar CRD，限制 Workload 1 的服务可见性。
经过步骤3后，Workload 1 初始只会加载最小化的 xDS。
当 Workload 1 发起对 Service 2 的访问时，（因为步骤2）流量会转发到 Egress。
（因为步骤 1）Egress 会分析接收到的流量特征，并将流量转发到 Service 2。
Egress 会将访问日志，异步地上报给 Lazy xDS Controller，上报服务是利用 Access Log Service。
Lazy xDS Controller 会对接收到的日志进行访问关系分析，然后把新的依赖关系（Workload 1 -> Service 2）表达到 sidecar CRD 中。
同时 Controller 还会将（步骤2） Workload 1 需要转发 Service 2 流量到 Egress 的规则去除，这样未来 workload 1 再次访问 Service 2 就会是直连。
（因为步骤 8）istiod 更新可见性关系，后续会将 Service 2 的服务信息发给 Workload 1。
Workload 1 通过 xDS 接收到 Service 2 的服务信息。
当 Workload 1 再次发起对 Service 2 的访问，流量会直达 Service 2（因为步骤9）。

这个方案的好处：

首先不需要用户提前配置服务间的依赖，而且服务间依赖是允许动态的增加的。
最终每个 envoy 只会获得自身需要的 xDS，性能最优。
这个实现对用户流量影响也比较小，用户的流量不会阻塞。性能损耗也比较小，只有前几次请求会在 Egress 做中转，后面都是直连的。
此方案对 istio 和 envoy 没有任何入侵，我们没有修改 istio/envoy 源码，使得这套方案能很好的适应未来 istio 的迭代。

目前我们只支持七层协议服务的按需加载，原因是流量在 Egress 这里中转的时候，Egress 需要通过七层协议里的 header 判断原始目的地。纯 TCP 协议是没有办法设置额外的 header。不过因为 istio 主要目的就是为了做七层流量的治理，当网格的大部分请求都是七层的，这个情况目前可以接受的。
Lazy xDS 性能测试测试方案

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在同一网格内的不同 namespace 中，我们创建了 2 组 book info，左边 namespace lazy-on 中 productpage 开启按需加载，右边 namespace lazy-off 保持默认情况。
然后在这个网格内，我们逐渐增加服务数量，使用的是 istio 官方负载测试工具集（以下简称「负载服务」），每个 namespace 里有 19 个服务，其中4个 tcp 服务，15个 http 服务，每个服务初始 pod 数目为 5，共95个 pod（75 个http，20 个tcp）。我们逐渐增加负载服务的 namespace 数量，用于模拟网格规模增长。
性能对比
首先是 CDS 和 EDS 的对比，下图每组数据代表负载服务 namespace 的增加，每组数据里 4 个值：前 2 个值是开启按需加载后的 CDS 和 EDS，后面 2个值是没开启按需加载的 CDS 和 EDS。

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接下来是内存对比，绿色数据表示开启按需加载后 envoy 的内存消耗，红色的是未开启的情况。900 pods 规模 mesh，envoy 内存减少 14M ，降低比例约 40%；一万 pods 规模 mesh，envoy 内存减少约 150M，降低比例约 60%。

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随着服务可见性的限制，envoy 不会再接收全量的 xDS 更新，下图是在测试周期内 envoy 接收到 CDS 更新次数的对比，开启按需加载后，更新次数从 6 千次降低到了 1 千次。

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小结 Lazy xDS 已经在 github 开源，请访问 lazyxds README了解如何使用。
Lazy xDS 功能还在持续演进，未来我们将支持多集群模式、ServiceEntry 按需加载等功能。
如果您希望了解更多关于 Aeraki 的内容，欢迎访问 Github 主页：https://github.com/aeraki-fra...
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