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WEEK007 - Envoy 学习笔记

Envoy 是一款专为大型的 SOA 架构（面向服务架构，service oriented architectures）设计的 L7 代理和通信总线，它的诞生源于以下理念：

对应用程序而言，网络应该是透明的。当网络和应用程序出现故障时，应该能够很容易确定问题的根源。

要实现上面的目标是非常困难的，为了做到这一点，Envoy 提供了以下特性：

  • 进程外架构

Envoy 是一个独立的进程，伴随着每个应用程序运行。所有的 Envoy 形成一个透明的通信网络，每个应用程序发送消息到本地主机或从本地主机接收消息，不需要知道网络拓扑。进程外架构的好处是与应用程序的语言无关，Envoy 可以和任意语言的应用程序一起工作，另外，Envoy 的部署和升级也非常方便。

这种模式也被称为 边车模式（Sidecar）。

  • L3/L4 过滤器架构

Envoy 是一个 L3/L4 网络代理，通过插件化的 过滤器链（filter chain） 机制处理各种 TCP/UDP 代理任务，支持 TCP 代理，UDP 代理，TLS 证书认证，Redis 协议，MongoDB 协议，Postgres 协议等。

  • HTTP L7 过滤器架构

Envoy 不仅支持 L3/L4 代理，也支持 HTTP L7 代理，通过 HTTP 连接管理子系统（HTTP connection management subsystem） 可以实现诸如缓存、限流、路由等代理任务。

  • 支持 HTTP/2

在 HTTP 模式下，Envoy 同时支持 HTTP/1.1 和 HTTP/2。在 service to service 配置中，官方也推荐使用 HTTP/2 协议。

  • 支持 HTTP/3（alpha）

从 1.19.0 版本开始，Envoy 支持 HTTP/3。

  • HTTP L7 路由

Envoy 可以根据请求的路径（path）、认证信息（authority）、Content Type、运行时参数等来配置路由和重定向。这在 Envoy 作为前端代理或边缘代理时非常有用。

  • 支持 gRPC

gRPC 是 Google 基于 HTTP/2 开发的一个 RPC 框架。Envoy 完美的支持 HTTP/2，也可以很方便的支持 gRPC。

  • 服务发现和动态配置

Envoy 可以通过一套动态配置 API 来进行中心化管理，这套 API 被称为 xDS：EDS（Endpoint Discovery Service）、CDS（Cluster Discovery Service）、RDS（Route Discovery Service）、VHDS（Virtual Host Discovery Service）、LDS（Listener Discovery Service）、SDS（Secret Discovery Service）等等。

  • 健康状态检查

Envoy 通过对上游服务集群进行健康状态检查，并根据服务发现和健康检查的结果来决定负载均衡的目标。

  • 高级负载均衡

Envoy 支持很多高级负载均衡功能，比如：自动重试、熔断、全局限流、流量跟踪（request shadowing）、异常检测（outlier detection）等。

  • 支持前端代理和边缘代理

Envoy 一般有三种部署方式：

  1. Front Proxy：前端代理，也叫边缘代理，通常是部署在整个服务网格的边缘，用于接收来自于服务网格外的请求；
  2. Ingress Listener：服务代理，通常部署在服务网格内服务的前面，用于接收发给该服务的请求，并转发给该服务；
  3. Egress Listener：与 Ingress Listener 相反，用于代理服务发出的所有请求，并将请求转发给其他服务（可能是网格内服务，也可能是网格外服务）。

  • 可观测性

Envoy 的主要目标是使网络透明，可以生成许多流量方面的统计数据，这是其它代理软件很难取代的地方，内置 stats 模块，可以集成诸如 prometheus/statsd 等监控方案。还可以集成分布式追踪系统，对请求进行追踪。

Envoy 整体架构与基本概念

下图是 Envoy 代理的整体架构图：图片来源

Envoy 接收到请求后，会经过过滤器链（filter chain），通过 L3/L4 或 L7 的过滤器对请求进行微处理，然后路由到指定集群，并通过负载均衡获取一个目标地址，最后再转发出去。这个过程中的每一个环节，可以静态配置，也可以通过 xDS 动态配置。

  • Downstream：即客户端（Client），向 Envoy 发起请求的终端。
  • Upstream：后端服务器，处理客户端请求的服务。
  • Listener：监听器，它的作用就是打开一个监听端口，用于接收来自 Downstream 的请求。
  • Cluster：一组逻辑上相似的上游主机组成一个集群。
  • Route：用于将请求路由到不同的集群。
  • xDS：各种服务发现 API 的统称，如：CDS、EDS、LDS、RDS 和 SDS 等。

安装和运行 Envoy

安装 Envoy 最简单的方式是使用官方的 Docker 镜像，首先获取镜像：

[root@localhost ~]# docker pull envoyproxy/envoy:v1.22-latest

使用 docker run 运行：

[root@localhost ~]# docker run -d -p 10000:10000 -p 9901:9901 envoyproxy/envoy:v1.22-latest

此时使用的是 Envoy 的默认配置文件，默认会监听两个端口，9901 为 Envoy 的管理端口，10000 为 Envoy 监听的代理端口，后端地址为 Envoy 官网：www.envoyproxy.io。

我们进入容器，查看 Envoy 配置文件如下：

root@localhost:/# cat /etc/envoy/envoy.yaml 
admin:
  address:
    socket_address:
      protocol: TCP
      address: 0.0.0.0
      port_value: 9901
static_resources:
  listeners:
  - name: listener_0
    address:
      socket_address:
        protocol: TCP
        address: 0.0.0.0
        port_value: 10000
    filter_chains:
    - filters:
      - name: envoy.filters.network.http_connection_manager
        typed_config:
          "@type": type.googleapis.com/envoy.extensions.filters.network.http_connection_manager.v3.HttpConnectionManager
          scheme_header_transformation:
            scheme_to_overwrite: https
          stat_prefix: ingress_http
          route_config:
            name: local_route
            virtual_hosts:
            - name: local_service
              domains: ["*"]
              routes:
              - match:
                  prefix: "/"
                route:
                  host_rewrite_literal: www.envoyproxy.io
                  cluster: service_envoyproxy_io
          http_filters:
          - name: envoy.filters.http.router
            typed_config:
              "@type": type.googleapis.com/envoy.extensions.filters.http.router.v3.Router
  clusters:
  - name: service_envoyproxy_io
    connect_timeout: 30s
    type: LOGICAL_DNS
    # Comment out the following line to test on v6 networks
    dns_lookup_family: V4_ONLY
    lb_policy: ROUND_ROBIN
    load_assignment:
      cluster_name: service_envoyproxy_io
      endpoints:
      - lb_endpoints:
        - endpoint:
            address:
              socket_address:
                address: www.envoyproxy.io
                port_value: 443
    transport_socket:
      name: envoy.transport_sockets.tls
      typed_config:
        "@type": type.googleapis.com/envoy.extensions.transport_sockets.tls.v3.UpstreamTlsContext
        sni: www.envoyproxy.io

我们打开浏览器，访问 http://127.0.0.1:10000 就可以看到 Envoy 的首页了。

如果要使用自己的配置文件，可以写一个 yaml 文件，并挂载到容器中覆盖 /etc/envoy/envoy.yaml 文件，或者通过 -c 参数指定配置文件：

[root@localhost ~]# docker run -d \
    -v $(pwd)/envoy-custom.yaml:/envoy-custom.yaml \
    -p 10000:10000 \
    -p 9901:9901 \
    envoyproxy/envoy:v1.22-latest -c /envoy-custom.yaml

Envoy 静态配置

Envoy 的配置遵循 xDS API v3 规范，Evnoy 的配置文件也被称为 Bootstrap 配置，使用的接口为 config.bootstrap.v3.Bootstrap，它的整体结构如下：

{
  "node": "{...}",
  "static_resources": "{...}",
  "dynamic_resources": "{...}",
  "cluster_manager": "{...}",
  "hds_config": "{...}",
  "flags_path": "...",
  "stats_sinks": [],
  "stats_config": "{...}",
  "stats_flush_interval": "{...}",
  "stats_flush_on_admin": "...",
  "watchdog": "{...}",
  "watchdogs": "{...}",
  "tracing": "{...}",
  "layered_runtime": "{...}",
  "admin": "{...}",
  "overload_manager": "{...}",
  "enable_dispatcher_stats": "...",
  "header_prefix": "...",
  "stats_server_version_override": "{...}",
  "use_tcp_for_dns_lookups": "...",
  "dns_resolution_config": "{...}",
  "typed_dns_resolver_config": "{...}",
  "bootstrap_extensions": [],
  "fatal_actions": [],
  "default_socket_interface": "...",
  "inline_headers": [],
  "perf_tracing_file_path": "..."
}

Envoy 自带的默认配置文件中包含了两个部分：admin 和 static_resources。

admin 部分是 Envoy 管理接口的配置，接口定义为 config.bootstrap.v3.Admin：

admin:
  address:
    socket_address:
      protocol: TCP
      address: 0.0.0.0
      port_value: 9901

该配置让 Envoy 暴露出 9901 的管理端口，我们可以通过 http://127.0.0.1:9901 访问 Envoy 的管理页面。

static_resources 部分就是 Envoy 的静态配置，接口定义为 config.bootstrap.v3.Bootstrap.StaticResources，结构如下：

{
  "listeners": [],
  "clusters": [],
  "secrets": []
}

其中，listeners 用于配置 Envoy 的监听地址，Envoy 会暴露一个或多个 Listener 来监听客户端的请求。而 clusters 用于配置服务集群，Envoy 通过服务发现定位集群成员并获取服务，具体路由到哪个集群成员由负载均衡策略决定。

listeners 的接口定义为 config.listener.v3.Listener，其中最重要的几项有：name、address 和 filter_chain。

listeners:
- name: listener_0
  address:
    socket_address:
      protocol: TCP
      address: 0.0.0.0
      port_value: 10000
  filter_chains:
  - filters:
    - name: envoy.filters.network.http_connection_manager
      typed_config:
        "@type": type.googleapis.com/envoy.extensions.filters.network.http_connection_manager.v3.HttpConnectionManager
        scheme_header_transformation:
          scheme_to_overwrite: https
        stat_prefix: ingress_http
        route_config:
          name: local_route
          virtual_hosts:
          - name: local_service
            domains: ["*"]
            routes:
            - match:
                prefix: "/"
              route:
                host_rewrite_literal: www.envoyproxy.io
                cluster: service_envoyproxy_io
        http_filters:
        - name: envoy.filters.http.router
          typed_config:
            "@type": type.googleapis.com/envoy.extensions.filters.http.router.v3.Router

其中 address 表示 Envoy 监听的地址，filter_chain 为过滤器链，Envoy 通过一系列的过滤器对请求进行处理，下面是 Envoy 包含的过滤器链示意图：

这里使用的是 http_connection_manager 来代理 HTTP 请求，route_config 为路由配置，当请求路径以 / 开头时（match prefix "/"），路由到 service_envoyproxy_io 集群。集群使用 clusters 来配置，它的接口定义为 config.cluster.v3.Cluster，配置的内容如下：

clusters:
- name: service_envoyproxy_io
  connect_timeout: 30s
  type: LOGICAL_DNS
  # Comment out the following line to test on v6 networks
  dns_lookup_family: V4_ONLY
  lb_policy: ROUND_ROBIN
  load_assignment:
    cluster_name: service_envoyproxy_io
    endpoints:
    - lb_endpoints:
      - endpoint:
          address:
            socket_address:
              address: www.envoyproxy.io
              port_value: 443
  transport_socket:
    name: envoy.transport_sockets.tls
    typed_config:
      "@type": type.googleapis.com/envoy.extensions.transport_sockets.tls.v3.UpstreamTlsContext
      sni: www.envoyproxy.io

Envoy 通过服务发现来定位集群成员，服务发现的方式 有以下几种：

然后 Envoy 使用某种负载均衡策略从集群中找出一个服务来调用，Envoy 支持的 负载均衡策略有：

而在我们的例子中，集群的服务发现方式为 LOGICAL_DNS，并使用 ROUND_ROBIN 方式来负载均衡。

Envoy 动态配置

在上面的例子中，我们配置的地址都是固定的，但在实际应用中，我们更希望以一种动态的方式来配置，比如 K8S 环境下服务的地址随 Pod 地址变化而变化，我们不可能每次都去手工修改 Envoy 的配置文件。Envoy 使用了一套被称为 xDS 的 API 来动态发现资源。xDS 包括 LDS(Listener Discovery Service)、CDS(Cluster Discovery Service)、RDS(Route Discovery Service)、EDS(Endpoint Discovery Service)，以及 ADS(Aggregated Discovery Service)，每个 xDS 都对应着配置文件中的一小块内容，如下所示（图片来源）：

Envoy 通过订阅的方式来获取资源，如监控指定路径下的文件、启动 gRPC 流或轮询 REST-JSON URL。后两种方式会发送 DiscoveryRequest 请求消息，发现的对应资源则包含在响应消息 DiscoveryResponse 中。

基于文件的动态配置

基于文件的动态配置比较简单，Envoy 通过监听文件的变动来动态更新配置，我们创建一个文件 envoy.yaml，内容如下：

node:
  id: id_1
  cluster: test

admin:
  address:
    socket_address:
      protocol: TCP
      address: 0.0.0.0
      port_value: 9901

dynamic_resources:
  cds_config:
    path_config_source:
      path: /var/lib/envoy/cds.yaml
  lds_config:
    path_config_source:
      path: /var/lib/envoy/lds.yaml

这里我们可以看出，和静态配置的 static_resources 不一样，没有 clusters 和 listeners 的配置了，而是在 dynamic_resources 中定义了 cds_config 和 lds_config，并指定了 clusters 和 listeners 的配置文件的路径。

注意：在动态配置中，node 参数是必须的，用于区分 Envoy 是属于哪个集群。

我们再分别创建 cds.yaml 文件和 lds.yaml 文件。cds.yaml 的内容如下：

resources:
- "@type": type.googleapis.com/envoy.config.cluster.v3.Cluster
  name: service_envoyproxy_io
  connect_timeout: 30s
  type: LOGICAL_DNS
  # Comment out the following line to test on v6 networks
  dns_lookup_family: V4_ONLY
  lb_policy: ROUND_ROBIN
  load_assignment:
    cluster_name: service_envoyproxy_io
    endpoints:
    - lb_endpoints:
      - endpoint:
          address:
            socket_address:
              address: www.envoyproxy.io
              port_value: 443
  transport_socket:
    name: envoy.transport_sockets.tls
    typed_config:
      "@type": type.googleapis.com/envoy.extensions.transport_sockets.tls.v3.UpstreamTlsContext
      sni: www.envoyproxy.io

和静态配置的 clusters 是一样的，只不过换成了 resources 配置，并指定了 type 为 envoy.config.cluster.v3.Cluster。lds.yaml 的内容如下：

resources:
- "@type": type.googleapis.com/envoy.config.listener.v3.Listener
  name: listener_0
  address:
    socket_address:
      protocol: TCP
      address: 0.0.0.0
      port_value: 10000
  filter_chains:
  - filters:
    - name: envoy.filters.network.http_connection_manager
      typed_config:
        "@type": type.googleapis.com/envoy.extensions.filters.network.http_connection_manager.v3.HttpConnectionManager
        scheme_header_transformation:
          scheme_to_overwrite: https
        stat_prefix: ingress_http
        route_config:
          name: local_route
          virtual_hosts:
          - name: local_service
            domains: ["*"]
            routes:
            - match:
                prefix: "/"
              route:
                host_rewrite_literal: www.envoyproxy.io
                cluster: service_envoyproxy_io
        http_filters:
        - name: envoy.filters.http.router
          typed_config:
            "@type": type.googleapis.com/envoy.extensions.filters.http.router.v3.Router

这个配置和静态配置的 listeners 是一样的，只不过换成了 resources 配置，并指定了 type 为 envoy.config.listener.v3.Listener。

然后，运行下面的命令：

[root@localhost ~]# docker run -d \
    -v $(pwd):/var/lib/envoy \
    -p 10000:10000 \
    -p 9901:9901 \
    envoyproxy/envoy:v1.22-latest -c /var/lib/envoy/envoy.yaml

我们打开浏览器，访问 http://127.0.0.1:10000 就可以看到 Envoy 的首页了。

然后我们使用 sed 将文件中的 www.envoy.io 替换为 www.baidu.com：

[root@localhost ~]# sed -i s/www.envoyproxy.io/www.baidu.com/ lds.yaml cds.yaml

刷新浏览器，可以看到页面变成了 Baidu 的首页了，我们没有重启 Envoy，就实现了配置的动态更新。

这里有一点需要特别注意，如果我们直接使用 vi 去编辑 lds.yaml 和 cds.yaml 文件，有时候可能不会生效，这时我们可以将文件复制一份出来，编辑，然后再替换原文件，才可以让配置生效。而 sed -i 命令的 inplace edit 功能就是这样实现的。为什么需要这样做呢？因为 Docker 在有些环境下对 inotify 的支持不是很好，特别是 VirtualBox 环境。

基于控制平面（Control Plane）的动态配置

网络层一般被分为 数据平面（Data Plane） 和 控制平面（Control Plane）。控制平面主要为数据包的快速转发准备必要信息；而数据平面则主要负责高速地处理和转发数据包。这样划分的目的是把不同类型的工作分离开，避免不同类型的处理相互干扰。数据平面的转发工作无疑是网络层的重要工作，需要最高的优先级；而控制平面的路由协议等不需要在短时间内处理大量的包，可以将其放到次一级的优先级中。数据平面可以专注使用定制序列化等各种技术来提高传输速率，而控制平面则可以借助于通用库来达到更好的控制与保护效果。

得益于 Envoy 的高性能易扩展等特性，Envoy 可以说已经是云原生时代数据平面的事实标准。新兴微服务网关如 Gloo，Ambassador 都基于 Envoy 进行扩展开发；而在服务网格中，Istio、Kong 社区的 Kuma、亚马逊的 AWS App Mesh 都使用 Envoy 作为默认的数据平面。那么作为数据平面的 Envoy 要怎么通过控制平面来动态配置呢？答案就是：xDS 协议。

有很多已经实现的控制平面可以直接使用：

也可以使用 Envoy 的 xDS API 开发自己的控制平面，官方提供了 Go 和 Java 的示例可供参考：

在官网的 Dynamic configuration (control plane) 例子中，使用 Go 实现了一个控制平面。

在控制平面服务启动之后，Envoy 的配置文件类似下面这样：

node:
  cluster: test-cluster
  id: test-id

dynamic_resources:
  ads_config:
    api_type: GRPC
    transport_api_version: V3
    grpc_services:
    - envoy_grpc:
        cluster_name: xds_cluster
  cds_config:
    resource_api_version: V3
    ads: {}
  lds_config:
    resource_api_version: V3
    ads: {}

static_resources:
  clusters:
  - type: STRICT_DNS
    typed_extension_protocol_options:
      envoy.extensions.upstreams.http.v3.HttpProtocolOptions:
        "@type": type.googleapis.com/envoy.extensions.upstreams.http.v3.HttpProtocolOptions
        explicit_http_config:
          http2_protocol_options: {}
    name: xds_cluster
    load_assignment:
      cluster_name: xds_cluster
      endpoints:
      - lb_endpoints:
        - endpoint:
            address:
              socket_address:
                address: go-control-plane
                port_value: 18000

其中，static_resources 中定义了控制平面的地址，而 dynamic_resources 中的 ads_config 则指定使用控制平面来动态获取配置。

参考

  1. Envoy 官方文档
  2. Envoy 官方文档中文版（ServiceMesher）
  3. Istio 服务网格进阶实战（ServiceMesher）
  4. Envoy 官方文档中文版（CloudNative）
  5. Envoy 基础教程（Jimmy Song）
  6. Kubernetes 中文指南（Jimmy Song）
  7. Envoy Handbook（米开朗基杨）
  8. What is Envoy
  9. Envoy基础介绍
  10. 史上最全的高性能代理服务器 Envoy 中文实战教程 ！
  11. Envoy 中的 xDS REST 和 gRPC 协议详解
  12. Dynamic configuration (filesystem)
  13. Dynamic configuration (control plane)
  14. 通过 xDS 实现 Envoy 动态配置
  15. 如何为 Envoy 构建一个控制面来管理集群网络流量

更多

1. Envoy 的管理页面

默认情况下，Envoy 会暴露出 9901 的管理端口，我们访问 http://127.0.0.1:9901 可以看到 Envoy 的管理页面：

这里可以看到有很多很有用的功能，比如：查看 Envoy 统计信息，查看 Prometheus 监控指标，开启或关闭 CPU Profiler，开启或关闭 Heap Profiler 等等。

关于管理接口可以参考官方文档 Administration interface。

2. 体验 Sandboxes

Envoy 通过 Docker Compose 创建了很多沙盒环境用于测试 Envoy 的特性，感兴趣的同学可以挨个体验一下：

3. 如何从 Nginx 迁移到 Envoy？

https://github.com/yangchuansheng/envoy-handbook/blob/master/content/zh/docs/practice/migrating-from-nginx-to-envoy.md