大规模服务网格性能优化 | Aeraki xDS 按需加载

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。

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。

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。

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：

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

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。

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%。

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。

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-framework/aeraki

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