本文系转载，作者：郑伟，小米信息部技术架构组

本系列文章主要从源码（35e2b904）出发，对istio做深入剖析，让大家对istio有更深的认知，从而方便平时排查问题。不了解Service Mesh和Istio的同学请先阅读敖小剑老师如下文章进行概念上的理解：

• Service Mesh：下一代微服务
• 服务网格新生代-Istio

本文主要对istio在ubuntu16.04下环境搭建做简单介绍，Mac用户和其他linux发行版用户请根据bash脚本做相应调整。

概念介绍

Mixer提供三个核心功能：

• 前置条件检查（Precondition Checking）：某一服务响应外部请求前，通过Envoy向Mixer发送Check请求，检查该请求是否满足一定的前提条件，包括白名单检查、ACL检查等。
• 配额管理（Quota Management）：当多个请求发生资源竞争时，通过配额管理机制可以实现对资源的有效管理。
• 遥测报告上报（Telemetry Reporting）：该服务处理完请求后，通过Envoy向Mixer上报日志、监控等数据。

要深入了解Mixer，我们先对如下几个概念做介绍：

Attribute（属性）

大部分attributes由Envoy提供。Istio用attributes来控制服务在Service Mesh中运行时行为。attributes是有名称和类型的元数据，用来描述入口和出口流量和流量产生时的环境。attributes携带了一些具体信息，比如：API请求状态码、请求响应时间、TCP连接的原始地址等。

RefrencedAttributes（被引用的属性）

refrencedAttributes是Mixer Check时进行条件匹配后被使用的属性的集合。Envoy向Mixer发送的Check请求中传递的是属性的全集，refrencedAttributes只是该全集中被应用的一个子集。

举个例子，Envoy某次发送的Check请求中发送的attributes为{request.path: xyz/abc, request.size: 234,source.ip: 192.168.0.1}，如Mixer中调度到的多个adapters只用到了request.path和request.size这两个属性。那么Check后返回的refrencedAttributes为{request.path: xyz/abc, request.size: 234}。

为防止每次请求时Envoy都向Mixer中发送Check请求，Mixer中建立了一套复杂的缓存机制，使得大部分请求不需要向Mixer发送Check请求。

request.path: xyz/abc
request.size: 234
request.time: 12:34:56.789 04/17/2017
source.ip: 192.168.0.1
destination.service: example

属性词汇由[_.a-z0-9]组成，其中.为命名空间分隔符，所有属性词汇可以查看这里，属性类型可以查看这里。

Adapter（适配器）

Mixer是一个高度模块化、可扩展组件，内部提供了多个适配器(adapter)。

Envoy提供request级别的属性（attributes）数据。

adapters基于这些attributes来实现日志记录、监控指标采集展示、配额管理、ACL检查等功能。Istio内置的部分adapters举例如下：

• circonus：一个微服务监控分析平台。
• cloudwatch：一个针对AWS云资源监控的工具。
• fluentd：一款开源的日志采集工具。
• prometheus：一款开源的时序数据库，非常适合用来存储监控指标数据。
• statsd：一款采集汇总应用指标的工具。
• stdio：stdio适配器使Istio能将日志和metrics输出到本地，结合内置的ES、Grafana就可以查看相应的日志或指标了。

Template（模板）

对于一个网络请求，Mixer通常会调用两个rpc：Check和Report。不同的adapter需要不同的attributes，template定义了attributes到adapter输入数据映射的schema，一个适配器可以支持多个template。一个上报metric数据的模板如下所示：

apiVersion: "config.istio.io/v1alpha2"
kind: metric
metadata:
  name: requestsize
  namespace: istio-system
spec:
  value: request.size | 0
  dimensions:
    source_service: source.service | "unknown"
    source_version: source.labels["version"] | "unknown"
    destination_service: destination.service | "unknown"
    destination_version: destination.labels["version"] | "unknown"
    response_code: response.code | 200
  monitored_resource_type: '"UNSPECIFIED"'

模板字段的值可以是字面量或者表达式，如果时表达式，则表达式的值类型必须与字段的数据类型一致。

Mixer的配置模型

Mixer的yaml配置可以抽象成三种模型：Handler、Instance、Rule 这三种模型主要通过yaml中的kind字段做区分，kind值有如下几种：

• adapter kind：表示此配置为Handler。
• template kind：表示此配置为Template。
• “rule”：表示此配置为Rule。

Handler

一个Handler是配置好的Adpater的实例。Handler从yaml配置文件中取出adapter需要的配置数据。一个典型的Promethues Handler配置如下所示：

apiVersion: config.istio.io/v1alpha2
kind: prometheus
metadata:
  name: handler
  namespace: istio-system
spec:
  metrics:
  - name: request_count
    instance_name: requestcount.metric.istio-system
    kind: COUNTER
    label_names:
    - destination_service
    - destination_version
    - response_code

对于Handler而言，{metadata.name}.{kind}.{metadata.namespace}是其完全限定名（Fully Qualified name），上述Handler的完全限定名是handler.prometheus.istio-system，完全限定名是全局唯一的。

adapter的配置信息定义在spec段中，每个adapter配置的格式都有所区别，可以从这里查看指定的adapter配置格式。上述Handler中引用了requestcount.metric.istio-system这个Instance。

Instance

Instance定义了attributes到adapter输入的映射，一个处理requestduration metric数据的Instance配置如下所示：

apiVersion: config.istio.io/v1alpha2
kind: metric
metadata:
  name: requestduration
  namespace: istio-system
spec:
  value: response.duration | "0ms"
  dimensions:
    destination_service: destination.service | "unknown"
    destination_version: destination.labels["version"] | "unknown"
    response_code: response.code | 200
  monitored_resource_type: '"UNSPECIFIED"'

上述Instance的完全限定名是requestduration.metric.istio-system，Handler和Rule可以通过这个名称对此Instance进行引用。

Rule

Rule定义了一个特定的Instance何时调用一个特定的Handler，一个典型的Rule配置如下所示：

apiVersion: config.istio.io/v1alpha2
kind: rule
metadata:
  name: promhttp
  namespace: istio-system
spec:
  match: destination.service == "service1.ns.svc.cluster.local" && request.headers["x-user"] == "user1"
  actions:
  - handler: handler.prometheus
    instances:
    - requestduration.metric.istio-system

上述例子中，定义的Rule为：对目标服务为service1.ns.svc.cluster.local且request.headers["x-user"]为user1的请求，Instance: requestduration.metric.istio-system才调用Handler: handler.prometheus。

Mixer工作流程源码分析

上面简单介绍了Mixer相关概念，下面我们从源码出发来对Mixer工作流程做分析。

编译mixer二进制文件和docker镜像

先看Makfile：

···
MIXER_GO_BINS:=${ISTIO_OUT}/mixs ${ISTIO_OUT}/mixc
mixc: # Mixer客户端，通过mixc我们可以和运行的mixer进行交互。
    bin/gobuild.sh ${ISTIO_OUT}/mixc istio.io/istio/pkg/version ./mixer/cmd/mixc
mixs: # Mixer服务端，和Envoy、adapter交互。部署Istio的时候随之启动。
    bin/gobuild.sh ${ISTIO_OUT}/mixs istio.io/istio/pkg/version ./mixer/cmd/mixs
···
include tools/istio-docker.mk # 引入编译docker镜像的Makefile文件。
...

Makefile中定义了mixs(mixer server)和mixc(mixer client)的编译流程。使用指令make mixs mixc编译好二进制文件后，再编译docker镜像。istio-docker.mk中编译mixer镜像相关指令如下：

...
MIXER_DOCKER:=docker.mixer docker.mixer_debug
$(MIXER_DOCKER): mixer/docker/Dockerfile$$(suffix $$@) \
        $(ISTIO_DOCKER)/ca-certificates.tgz $(ISTIO_DOCKER)/mixs | $(ISTIO_DOCKER)
    $(DOCKER_RULE)
...

执行make docker.mixer会在本地编译mixer镜像，依据的dockerfile是mixer/docker/Dockerfile.mixer，如下所示：

FROM scratch

# obtained from debian ca-certs deb using fetch_cacerts.sh
ADD ca-certificates.tgz /
ADD mixs /usr/local/bin/

ENTRYPOINT ["/usr/local/bin/mixs", "server"]
CMD ["--configStoreURL=fs:///etc/opt/mixer/configroot","--configStoreURL=k8s://"]

可以知道容器启动时执行的mixs指令为/usr/local/bin/mixs server --configStoreURL=fs:///etc/opt/mixer/configroot --configStoreURL=k8s://

Mixer Server启动流程

mixs启动入口：

// supportedTemplates 从mixer/pkg/template包获取所有注册的模板信息。
func supportedTemplates() map[string]template.Info {
    return generatedTmplRepo.SupportedTmplInfo
}
// supportedAdapters 从mixer/pkg/adapter包获取所有注册的适配器信息。
func supportedAdapters() []adptr.InfoFn {
    return adapter.Inventory()
}

func main() {
    // 构造cobra.Command实例，mixs server子命令设计在serverCmd中定义。
    rootCmd := cmd.GetRootCmd(os.Args[1:], supportedTemplates(), supportedAdapters(), shared.Printf, shared.Fatalf)

    if err := rootCmd.Execute(); err != nil {
        os.Exit(-1)
    }
}

mixs server子命令在istio/mixer/cmd/mixs/cmd/server.go#serverCmd中定义：

func serverCmd(info map[string]template.Info, adapters []adapter.InfoFn, printf, fatalf shared.FormatFn) *cobra.Command {
    ...
    serverCmd := &cobra.Command{
        Use:   "server",
        Short: "Starts Mixer as a server",
        Run: func(cmd *cobra.Command, args []string) {
            // 用户执行mixs server命令时，启动mixer gRPC server
            runServer(sa, printf, fatalf) 
        },
    }
    ...
}

// runServer函数启动mixer gRPC server
func runServer(sa *server.Args, printf, fatalf shared.FormatFn) {
    s, err := server.New(sa)
    ...
    s.Run()
    ...
}

gRPC server启动主要逻辑在istio/mixer/pkg/server/server.go#newServer：

func newServer(a *Args, p *patchTable) (*Server, error) {
    ...
    s := &Server{}
    // 初始化API worker线程池
    s.gp = pool.NewGoroutinePool(apiPoolSize, a.SingleThreaded)
    s.gp.AddWorkers(apiPoolSize)
    // 初始化adapter worker线程池
    s.adapterGP = pool.NewGoroutinePool(adapterPoolSize, a.SingleThreaded)
    s.adapterGP.AddWorkers(adapterPoolSize)

    // 构造存放Mixer模板仓库
    tmplRepo := template.NewRepository(a.Templates)
    // 构造存放adapter的map
    adapterMap := config.AdapterInfoMap(a.Adapters, tmplRepo.SupportsTemplate)
    ...
    // 构造Mixer runtime实例。runtime实例是Mixer运行时环境的主要入口。
    // 它会监听配置变更，配置变更时会动态构造新的handler实例和dispatcher实例。
    // dispatcher会基于配置和attributes对请求进行调度，调用相应的adapters处理请求。
    rt = p.newRuntime(st, templateMap, adapterMap, a.ConfigIdentityAttribute, a.ConfigDefaultNamespace,
        s.gp, s.adapterGP, a.TracingOptions.TracingEnabled())
    // runtime实例开始监听配置变更，一旦配置变更，runtime实例会构造新的dispatcher。
    p.runtimeListen(rt)
    s.dispatcher = rt.Dispatcher()
    ...
    // 注册Mixer gRPC server
    mixerpb.RegisterMixerServer(s.server, api.NewGRPCServer(s.dispatcher, s.gp))
    // 启动ControlZ监听器，ControlZ提供了Istio的内省功能。Mixer与ctrlz集成时，会启动一个
    // web service监听器用于展示Mixer的环境变量、参数版本信息、内存信息、进程信息、metrics等。
    go ctrlz.Run(a.IntrospectionOptions, nil)

    return s, nil
}

其中istio/mixer/pkg/api/grpcServer.go#NewGRPCServer函数中初始化了保存attributes的list和全局字典

func NewGRPCServer(dispatcher dispatcher.Dispatcher, gp *pool.GoroutinePool) mixerpb.MixerServer {
    // 从globalList拷贝出list切片，list形如[]string{"source.ip","source.port","request.id"...}
    list := attribute.GlobalList()
    // 将以attribute.name作为key，index作为value，构造map。形如:map[string][int]{"source.ip":1, "source.port":2, "request.id":3...}
    globalDict := make(map[string]int32, len(list))
    for i := 0; i < len(list); i++ {
        globalDict[list[i]] = int32(i)
    }

    return &grpcServer{
        dispatcher:     dispatcher,
        gp:             gp,
        globalWordList: list,
        globalDict:     globalDict,
    }
}

Mixer启动的gRPC server定义了两个rpc：Check、Report。

istio/vendor/istio.io/api/mixer/v1/service.proto#48行

service Mixer {
  // Check 基于活动配置和Envoy提供的attributes，执行前置条件检查和配额管理。
  rpc Check(CheckRequest) returns (CheckResponse) {}

  // Reports 基于活动配置和Envoy提供的attribues上报遥测数据（如logs和metrics）。
  rpc Report(ReportRequest) returns (ReportResponse) {}
}

CheckRequest、CheckResponse结构如下所示：

message CheckRequest {
  // QuotaParams 定义了配额管理相关的参数。
  message QuotaParams {
    int64 amount = 1;     // amount 为可分配的配额总数
    bool best_effort = 2; // best_effort 为真时，表示返回的配额数小于请求的配额数
  }
  // CompressedAttributes 为压缩过的本次请求的attributes 
  CompressedAttributes attributes = 1 [(gogoproto.nullable) = false];
  // global_word_count 为attribute字典单词总数，用于判断客户端和Mixer gRPC server所用的字典是否同步
  uint32 global_word_count = 2;
  // deduplication_id 用于某次rpc请求失败后重试
  string deduplication_id = 3;
  //  quotas 进行分配的配额表，key为用户自定义的配额名如“requestCount”
  map<string, QuotaParams> quotas = 4 [(gogoproto.nullable) = false];
}

message CheckResponse {
  // PreconditionResult 前置条件检查结果
  message PreconditionResult {
    // status 请求结果状态码，0表示成功
    google.rpc.Status status = 1 [(gogoproto.nullable) = false];
    // valid_duration 用于判断本次结果是否合法的时间总数
    google.protobuf.Duration valid_duration = 2 [(gogoproto.nullable) = false, (gogoproto.stdduration) = true];
    // valid_use_count 用于判断本次结果是否合法的使用次数总数
    int32 valid_use_count = 3;
    // CompressedAttributes 返回的attributes数据，是请求的attributes和Mixer配置产生的attributes的集合
    CompressedAttributes attributes = 4 [(gogoproto.nullable) = false];
    // ReferencedAttributes Mixer adapters引用过的attritbues
    ReferencedAttributes referenced_attributes = 5 [(gogoproto.nullable) = false];
  }

  // QuotaResult 配额检查结果
  message QuotaResult {
    google.protobuf.Duration valid_duration = 1 [(gogoproto.nullable) = false, (gogoproto.stdduration) = true];
    // 授予的配额总数
    int64 granted_amount = 2;
    ReferencedAttributes referenced_attributes = 5 [(gogoproto.nullable) = false];
  }
  PreconditionResult precondition = 2 [(gogoproto.nullable) = false];
  map<string, QuotaResult> quotas = 3 [(gogoproto.nullable) = false];
}

ReportRequest、ReportResponse结构如下所示：

message ReportRequest {
  // CompressedAttributes 本次请求的attributes数据
  repeated CompressedAttributes attributes = 1 [(gogoproto.nullable) = false];
  // default_words 默认的message级别的attributes字典
  repeated string default_words = 2;
  // global_word_count 全局attribute字典总数
  uint32 global_word_count = 3;
}

message ReportResponse {
}

Check请求执行细节

func (s *grpcServer) Check(legacyCtx legacyContext.Context, req *mixerpb.CheckRequest) (*mixerpb.CheckResponse, error) {
    // 构造基于proto的属性包protoBag。protoBag提供了对一组attributes进行访问、修改的机制。
    protoBag := attribute.NewProtoBag(&req.Attributes, s.globalDict, s.globalWordList)
    defer protoBag.Done()

    // 构造可变的（执行check方法后会变化）属性包checkBag 
    checkBag := attribute.GetMutableBag(protoBag)
    defer checkBag.Done()
    // 执行dispatcher的预处理过程，s.dispatcher为runtime实例impl。
    // impl的Preprocess方法会调度生成属性相关的adapter，比如kubernetes adapter。
    s.dispatcher.Preprocess(legacyCtx, protoBag, checkBag);
    // 获取属性包中被引用的属性快照snapApa，snapApa能在每次check和quota处理中重复使用。
    snapApa := protoBag.SnapshotReferencedAttributes()
    // 执行dispatcher的前置条件检查，Check方法内部会计算被引用的属性并同步到protoBag中。
    cr, err := s.dispatcher.Check(legacyCtx, checkBag)
    ...
    // 构造Check rpc response实例
    resp := &mixerpb.CheckResponse{
        Precondition: mixerpb.CheckResponse_PreconditionResult{
            ValidDuration:        cr.ValidDuration,
            ValidUseCount:        cr.ValidUseCount,
            Status:               cr.Status,
            ReferencedAttributes: protoBag.GetReferencedAttributes(s.globalDict, globalWordCount),
        },
    }

    // 如果前置条件检查通过且配额表总数大于0，则计算新的配额
    if status.IsOK(resp.Precondition.Status) && len(req.Quotas) > 0 {
        resp.Quotas = make(map[string]mixerpb.CheckResponse_QuotaResult, len(req.Quotas))
        // 遍历配额表，计算每个配额是否为引用配额
        for name, param := range req.Quotas {
            qma := &dispatcher.QuotaMethodArgs{
                Quota:           name,
                Amount:          param.Amount,
                DeduplicationID: req.DeduplicationId + name,
                BestEffort:      param.BestEffort,
            }

            protoBag.RestoreReferencedAttributes(snapApa)
            crqr := mixerpb.CheckResponse_QuotaResult{}
            var qr *adapter.QuotaResult
            // 执行dispacher的配额处理方法。istio/mixer/pkg/runtime/dispatcher/dispatcher.go#func (d *Impl) Quota(）
            qr, err = s.dispatcher.Quota(legacyCtx, checkBag, qma)
            if err != nil {
                err = fmt.Errorf("performing quota alloc failed: %v", err)
                log.Errora("Quota failure:", err.Error())
            } else if qr == nil {
                crqr.ValidDuration = defaultValidDuration
                crqr.GrantedAmount = qma.Amount
            } else {
                if !status.IsOK(qr.Status) {
                    log.Debugf("Quota denied: %v", qr.Status)
                }
                crqr.ValidDuration = qr.ValidDuration
                crqr.GrantedAmount = qr.Amount
            }
            // 根据全局attribute字典来计算被引用的attributes
            crqr.ReferencedAttributes = protoBag.GetReferencedAttributes(s.globalDict, globalWordCount)
            resp.Quotas[name] = crqr
        }
    }
    // 返回Check gRPC相应结果
    return resp, nil
}

Report请求执行整体逻辑和Check相似，本文暂不做解析。

Mixer适配器工作流程

• Mixer server启动。
  • 初始化adapter worker线程池。
  • 初始化Mixer模板仓库。
  • 初始化adapter builder表。
  • 初始化runtime实例。
  • 注册并启动gRPC server。
• 某一服务外部请求被envoy拦截，envoy根据请求生成指定的attributes，attributes作为参数之一向Mixer发起Check rpc请求。
• Mixer 进行前置条件检查和配额检查，调用相应的adapter做处理，并返回相应结果。
• Envoy分析结果，决定是否执行请求或拒绝请求。若可以执行请求则执行请求。请求完成后再向Mixer gRPC服务发起Report rpc请求，上报遥测数据。
• Mixer后端的adapter基于遥测数据做进一步处理。