通过 xDS 实现 Envoy 动态配置

在云原生时代，容器取代虚拟机成为承载应用工作负载的主要形式。虚拟机生命周期相对较长，可能有数天，但是容器少则几分钟。这就要求负载均衡器必须能适应这种动态性。

Envoy 通过 xDS 实现了其动态配置，来应对不断变化的基础架构。

xDS 简介

Envoy通过文件系统或查询管理服务器发现其各种动态资源。这些发现服务及其相应的API统称为xDS。

资源类型

xDS API中的每个配置资源都有与之关联的类型。资源类型遵循版本控制方案。目前V2版本已经停止开发，不过会有一年的维护期。V3版本是目前主力版本。

支持以下v3 xDS资源类型：

• envoy.config.listener.v3.Listener
• envoy.config.route.v3.RouteConfiguration
• envoy.config.route.v3.ScopedRouteConfiguration
• envoy.config.route.v3.VirtualHost
• envoy.config.cluster.v3.Cluster
• envoy.config.endpoint.v3.ClusterLoadAssignment
• envoy.extensions.transport_sockets.tls.v3.Secret
• envoy.service.runtime.v3.Runtime

格式为http://type.googleapis.com/<资源类型>–例如，用于集群资源的type.googleapis.com/envoy.api.v3.Cluster。在来自Envoy的各种请求和管理服务器的响应中，都声明了资源类型URL。

这些API 实际上通过 proto3 Protocol Buffers 定义。

流式gRPC订阅

Envoy 通过订阅（_subscription_）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。

其中流式gRPC订阅是最常使用的。

流式gRPC使用的xDS传输协议有四种变体：

1. State of the World (Basic xDS)：SotW，每种资源类型的单独gRPC流
2. 增量xDS：每种资源类型的增量独立gRPC流
3. 聚合发现服务（ADS）：SotW，所有资源类型的聚合流
4. 增量ADS：所有资源类型的增量聚合流

如何实现一个简单的控制平面

社区提供了两种语言的实现，在我们编写自己的控制平面时，可以直接使用：

• go-control-plane
• java-control-plane

比如go-control-plane 提供了由多个不同控制平面实现共享的基础结构。该库提供的组件是：

• API服务器_：_一种基于gRPC的通用API服务器，可实现data-plane-api中定义的xDS API 。API服务器负责将配置更新推送到Envoy。消费者应该能够在生产部署中导入该go库并按原样使用API​​服务器。
• 配置缓存_：_该库将在内存中缓存Envoy配置，以对Envoy提供快速响应。此库的使用者有责任将数据写入到高速缓存，并在必要时使高速缓存无效。高速缓存将基于预定义的哈希函数进行键控，该哈希函数的键基于 Node信息。

目前，此存储库将不会处理将平台（例如服务，服务实例等）的特定于资源的表示转换为Envoy样式的配置。

下面我们通过go-control-plane实现一个简单的Envoy控制平面，并且采用的是第三种xDS变体。

1：数据平面Envoy配置

虽然Envoy接受控制平面的动态资源，但是Envoy的启动需要一些静态配置，也就是引导文件。完整引导文件如下：

node:
  id: node-1
  cluster: edge-gateway

admin:
  access_log_path: /dev/stdout
  address:
    socket_address: { address: 127.0.0.1, port_value: 9901 }

dynamic_resources:
  ads_config:
    # allows limiting the rate of discovery requests.
    # for edge cases with very frequent requests or due to a bug.
    rate_limit_settings:
      max_tokens: 10
      fill_rate: 3
    # we use v3 xDS framing
    transport_api_version: V3
    # over gRPC
    api_type: GRPC
    grpc_services:
      - envoy_grpc:
          cluster_name: xds_cluster
  # Use ADS for LDS and CDS; request V3 clusters and listeners.
  lds_config: {ads: {}, resource_api_version: V3}
  cds_config: {ads: {}, resource_api_version: V3}

static_resources:
  clusters:
  - name: xds_cluster
    connect_timeout: 0.25s
    type: STATIC
    lb_policy: ROUND_ROBIN
    # as we are using gRPC xDS we need to set the cluster to use http2
    http2_protocol_options: {}
    upstream_connection_options:
      # important:
      # configure a TCP keep-alive to detect and reconnect to the admin
      # server in the event of a TCP socket half open connection
      # the default values are very conservative, so you will want to tune them.
      tcp_keepalive: {}
    load_assignment:
      cluster_name: xds_cluster
      endpoints:
      - lb_endpoints:
        - endpoint:
            address:
              socket_address:
                address: 127.0.0.1
                port_value: 9977

引导文件包含两个ConfigSource 消息，一个指示如何获取侦听器资源，另一个指示如何获取集群资源。它还包含一个单独的ApiConfigSource消息，该消息指示如何与ADS服务器通信，只要ConfigSource消息（在引导文件或从管理服务器获取的侦听器或集群资源中）包含AggregatedConfigSource消息，就会使用该消息。

在使用xDS的gRPC客户端中，仅支持ADS，并且引导文件包含ADS服务器的名称，该名称将用于所有资源。侦听器和 集群资源中的ConfigSource消息必须包含AggregatedConfigSource消息。

那么Envoy按照该引导文件启动后，会与127.0.0.1:9977 通信，获取监听器和集群资源。

2：编写控制平面

本次控制平面要实现的功能是控制Envoy实现灰度发布。由于go-control-plane 已经帮我们做了很多事情，所以我们唯一需要做的就是将灰度相关的设置转换为Envoy样式的配置。

由于代码较长，我们只贴出核心的代码：

func makeRoute(routeName string, weight uint32, clusterName1, clusterName2 string) *route.RouteConfiguration {
    routeConfiguration := &route.RouteConfiguration{
        Name: routeName,
        VirtualHosts: []*route.VirtualHost{{
            Name:    "local_service",
            Domains: []string{"*"},
        }},
    }
    switch weight {
    case 0:
        routeConfiguration.VirtualHosts[0].Routes = []*route.Route{{
            Match: &route.RouteMatch{
                PathSpecifier: &route.RouteMatch_Prefix{
                    Prefix: "/",
                },
            },
            Action: &route.Route_Route{
                Route: &route.RouteAction{
                    ClusterSpecifier: &route.RouteAction_Cluster{
                        Cluster: clusterName1,
                    },
                    HostRewriteSpecifier: &route.RouteAction_HostRewriteLiteral{
                        HostRewriteLiteral: UpstreamHost,
                    },
                },
            },
        }}

    case 100:
        routeConfiguration.VirtualHosts[0].Routes = []*route.Route{{
            Match: &route.RouteMatch{
                PathSpecifier: &route.RouteMatch_Prefix{
                    Prefix: "/",
                },
            },
            Action: &route.Route_Route{
                Route: &route.RouteAction{
                    ClusterSpecifier: &route.RouteAction_Cluster{
                        Cluster: clusterName2,
                    },
                    HostRewriteSpecifier: &route.RouteAction_HostRewriteLiteral{
                        HostRewriteLiteral: UpstreamHost,
                    },
                },
            },
        }}
        // canary-roll out:
    default:
        routeConfiguration.VirtualHosts[0].Routes = []*route.Route{{
            Match: &route.RouteMatch{
                PathSpecifier: &route.RouteMatch_Prefix{
                    Prefix: "/",
                },
            },
            Action: &route.Route_Route{
                Route: &route.RouteAction{
                    ClusterSpecifier: &route.RouteAction_WeightedClusters{
                        WeightedClusters: &route.WeightedCluster{
                            TotalWeight: &wrapperspb.UInt32Value{
                                Value: 100,
                            },
                            Clusters: []*route.WeightedCluster_ClusterWeight{
                                {
                                    Name: clusterName1,
                                    Weight: &wrapperspb.UInt32Value{
                                        Value: 100 - weight,
                                    },
                                },
                                {
                                    Name: clusterName2,
                                    Weight: &wrapperspb.UInt32Value{
                                        Value: weight,
                                    },
                                },
                            },
                        },
                    },
                    HostRewriteSpecifier: &route.RouteAction_HostRewriteLiteral{
                        HostRewriteLiteral: UpstreamHost,
                    },
                },
            },
        }}

    }
    return routeConfiguration
}

由于我们是第三种变体，我们在变更配置的时候，需要所有资源的变更封装成cachev3.Snapshot：

func GenerateSnapshot(weight uint32) cachev3.Snapshot {
    version++
    nextversion := fmt.Sprintf("snapshot-%d", version)
    fmt.Println("publishing version: ", nextversion)
    return cachev3.NewSnapshot(
        nextversion,        // version needs to be different for different snapshots
        []types.Resource{}, // endpoints
        []types.Resource{makeCluster(ClusterName1), makeCluster(ClusterName2)},
        []types.Resource{makeRoute(RouteName, weight, ClusterName1, ClusterName2)},
        []types.Resource{makeHTTPListener(ListenerName, RouteName)},
        []types.Resource{}, // runtimes
        []types.Resource{}, // secrets
    )
}

我们的示例比较简单，但是在生产环境，我们应该考虑哪些内容那？

3：生产环境的控制面

生产环境控制面，则需要实现：

• 核心xDS服务接口和实现
• 处理向服务注册表中注册/反注册服务的组件
• 服务注册表
• 描述Envoy配置的抽象对象模型（可选）
• 数据存储区，用于保存配置

比如Contour，实际上只有两个组成其控制平面的组件，但是，由于它仅基于Kubernetes，因此它实际上利用了许多内置的Kubernetes设施，例如Kubernetes API /存储和CRD来驱动配置。

• contour 服务器
• init-container 引导程序

Contour使用init-container来为Envoy生成一个静态引导程序配置文件，该文件指示在哪里可以找到xDS服务。xDS服务器是控制平面中的第二个组件。

总结

其实目前诸多基于Envoy的项目，都是采取控制面 + xDS + envoy 的模式。比如Apigateway中的gloo，ambassador，Service Mesh 中的istio，app-mesh等。

各个控制面其实基本上对接各种服务注册中心，然后再根据客户配置的转发规则，转换为xDS资源，通过gRPC流下发到Envoy中。