在使用 gRPC(基于 HTTP/2)的 Kubernetes 服务时,到目标的单个连接将在一个 Pod 处终止。如果从客户端发送了多条消息,则所有消息将由该 Pod 处理,从而导致负载不均衡。本文通过示例介绍 gRPC 服务间负载不均衡的问题以及如何实现负载均衡。

背景信息

gRPC是一种基于 HTTP/2 的服务通信协议,使用基于 Protocol Buffers(简称为 PB)格式的服务定义。服务之间调用的数据可以被序列化为较小的二进制格式进行传输。使用 gRPC,可以从 .proto 文件生成多种语言的代码,这也就使得 gRPC 成为了多语言微服务开发的最佳选择之一。

使用基于 HTTP/1.1 的 RPC 时,一个简单的 TCP 负载平衡器足以胜任,因为这些连接都是短暂的,客户端将尝试重新连接,不会保持与运行中的旧 Pod 之间的连接。但是使用基于 HTTP/2 的 gRPC 时,TCP 连接保持打开状态,这样将保持连接到即将失效的 Pod,亦或使集群失去平衡。

gRPC 服务间调用的负载不均衡

通过一个示例了解下 Kubernetes 下的 gRPC 服务间调用的负载不均衡问题。

前提条件
  1. 登录容器服务控制台,在左侧导航栏选择集群 > 命名空间
  2. 命名空间页面,从集群下拉列表中选择对应的集群。
  3. 单击右上方的创建,在创建命名空间窗口,输入命名空间的名称,例如grpc-nosidecar,单击确定
  4. 在命名空间 grpc-nosidecar 下部署 gRPC 服务的服务端 istio-grpc-server。
    假设,待创建的描述文件为 istio-grpc-server.yaml,请执行如下命令:
    kubectl apply -n grpc-nosidecar -f istio-grpc-server.yaml
    其中,istio-grpc-server.yaml 文件的内容如下:
    apiVersion: apps/v1
    kind: Deployment
    metadata:
      name: istio-grpc-server-v1
      labels:
        app: istio-grpc-server
        version: v1
    spec:
      replicas: 1
      selector:
        matchLabels:
          app: istio-grpc-server
          version: v1
      template:
        metadata:
          labels:
            app: istio-grpc-server
            version: v1
        spec:
          containers:
          - args:
            - --address=0.0.0.0:8080
            image: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/aliacs-app-catalog/istio-grpc-server
            imagePullPolicy: Always
            livenessProbe:
              exec:
                command:
                - /bin/grpc_health_probe
                - -addr=:8080
              initialDelaySeconds: 2
            name: istio-grpc-server
            ports:
            - containerPort: 8080
            readinessProbe:
              exec:
                command:
                - /bin/grpc_health_probe
                - -addr=:8080
              initialDelaySeconds: 2
    ---
    apiVersion: apps/v1
    kind: Deployment
    metadata:
      name: istio-grpc-server-v2
      labels:
        app: istio-grpc-server
        version: v2
    spec:
      replicas: 1
      selector:
        matchLabels:
          app: istio-grpc-server
          version: v2
      template:
        metadata:
          labels:
            app: istio-grpc-server
            version: v2
        spec:
          containers:
            - args:
                - --address=0.0.0.0:8080
              image: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/aliacs-app-catalog/istio-grpc-server
              imagePullPolicy: Always
              livenessProbe:
                exec:
                  command:
                    - /bin/grpc_health_probe
                    - -addr=:8080
                initialDelaySeconds: 2
              name: istio-grpc-server
              ports:
                - containerPort: 8080
              readinessProbe:
                exec:
                  command:
                    - /bin/grpc_health_probe
                    - -addr=:8080
                initialDelaySeconds: 2
    ---
    apiVersion: v1
    kind: Service
    metadata:
      name: istio-grpc-server
      labels:
        app: istio-grpc-server
    spec:
      ports:
      - name: grpc-backend
        port: 8080
        protocol: TCP
      selector:
        app: istio-grpc-server
      type: ClusterIP
    ---
  5. 在命名空间 grpc-nosidecar 下部署 gRPC 服务的服务端 istio-grpc-client。
    假设,待创建的描述文件为 istio-grpc-client.yaml,请执行如下命令:
    kubectl apply -n grpc-nosidecar -f istio-grpc-client.yaml
    其中,istio-grpc-client.yaml 文件的内容如下:
    apiVersion: apps/v1
    kind: Deployment
    metadata:
      name: istio-grpc-client
      labels:
        app: istio-grpc-client
    spec:
      replicas: 1
      selector:
        matchLabels:
          app: istio-grpc-client
      template:
        metadata:
          labels:
            app: istio-grpc-client
        spec:
          containers:
          - image: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/aliacs-app-catalog/istio-grpc-client
            imagePullPolicy: Always
            command: ["/bin/sleep", "3650d"]
            name: istio-grpc-client
    ---
    apiVersion: v1
    kind: Service
    metadata:
      name: istio-grpc-client
    spec:
      ports:
      - name: grpc
        port: 8080
        protocol: TCP
      selector:
        app: istio-grpc-client
      type: ClusterIP
    ---
  6. 执行以下命令,查看 Pod 运行状态:
    kubectl get pod -n grpc-nosidecar
    示例输出如下:
    NAME                                    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
    istio-grpc-client-dd56bcb45-hvmjt       1/1     Running   0          95m
    istio-grpc-server-v1-546d9876c4-j2p9r   1/1     Running   0          95m
    istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd    1/1     Running   0          95m
  7. 执行以下命令,登录到客户端 Pod 容器。
    kubectl exec -it -n grpc-nosidecar istio-grpc-client-dd56bcb45-hvmjt sh
  8. 进入容器后,执行以下命令:
    /bin/greeter-client --insecure=true --address=istio-grpc-server:8080 --repeat=100
    可以看到所有的请求都指向了一个 Pod:
    2020/01/14 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
    2020/01/14 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
    2020/01/14 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
    2020/01/14 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
    2020/01/14 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
    2020/01/14 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
    2020/01/14 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
    2020/01/14 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
    2020/01/14 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
    2020/01/14 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
    2020/01/14 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
    由此可见,从客户端发送了所有消息都由一个 Pod 处理,从而导致负载不均衡。

使用 ASM 实现负载均衡

下面将示例说明如何通过 ASM 实现负载均衡。

前提条件
  • 已创建至少一个服务网格 ASM 实例,并已经添加至少一个集群到该实例中。
  • 已设置通过 kubectl 连接到该集群,详情参见通过 kubectl 连接 Kubernetes 集群
  1. 登录容器服务控制台,在左侧导航栏选择集群 > 命名空间
  2. 命名空间页面,从集群下拉列表中选择对应的集群。
  3. 单击右上方的创建,在创建命名空间窗口,输入命名空间的名称,例如grpc-nosidecar,并新增标签istio-injection:enabled,单击确定
  4. 命名空间 grpc-nosidecar 下部署 gRPC 服务的服务端 istio-grpc-server。
    假设,待创建的描述文件为 istio-grpc-server.yaml,请执行如下命令:
    kubectl apply -n grpc-nosidecar -f istio-grpc-server.yaml
    istio-grpc-server.yaml 文件的内容,参见上文示例。
  5. 命名空间 grpc-nosidecar 下部署 gRPC 服务的服务端 istio-grpc-client。
    假设,待创建的描述文件为 istio-grpc-client.yaml,请执行如下命令:
    kubectl apply -n grpc-nosidecar -f istio-grpc-client.yaml
    istio-grpc-client.yaml 文件的内容,参见上文示例。
  6. 执行以下命令,查看 Pod 运行状态:
    kubectl get pod -n grpc-nosidecar
    此时可以看到每个 Pod 中包含了 2 个容器,其中一个容器就是注入的 Sidecar代理,示例输出如下:
    NAME                                    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
    istio-grpc-client-dd56bcb45-zhfsg       2/2     Running   0          1h15m
    istio-grpc-server-v1-546d9876c4-tndsm   2/2     Running   0          1h15m
    istio-grpc-server-v2-66d9b8847-99v62    2/2     Running   0          1h15m
  7. 执行以下命令,登录到客户端 Pod 容器。
    kubectl exec -it -n grpc-sidecar istio-grpc-client-dd56bcb45-zhfsg sh
  8. 进入容器后,执行以下命令:
    /bin/greeter-client --insecure=true --address=istio-grpc-server:8080 --repeat=100
    可以看到所有的请求分别指向了对应的 2 个 Pod,比例接近于50:50,即负载均衡中的 Round-Robin。
    2020/01/14 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
    2020/01/14 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
    2020/01/14 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
    2020/01/14 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
    2020/01/14 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
    2020/01/14 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
    2020/01/14 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
    2020/01/14 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
    2020/01/14 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
    2020/01/14 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
    2020/01/14 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
  9. 配置服务网格 ASM 实例的控制平面。
    1. 登录ASM 控制台,进入待配置 服务网格的详情页。
    2. 控制平面区域,选择命名空间页签,创建名为 grpc-sidecar 的命名空间。
    3. 选择目标规则页签,在 grpc-sidecar 命名空间下新建目标规则。YAML 文件内容如下:
      apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
      kind: DestinationRule
      metadata:
        name: dr-istio-grpc-server
      spec:
        host: istio-grpc-server
        trafficPolicy:
          loadBalancer:
            simple: ROUND_ROBIN
        subsets:
          - name: v1
            labels:
              version: "v1"
          - name: v2
            labels:
              version: "v2"
    4. 选择虚拟服务页签,在 grpc-sidecar 命名空间下新建虚拟服务。YAML 文件内容如下:
      apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
      kind: VirtualService
      metadata:
        name: vs-istio-grpc-server
      spec:
        hosts:
          - "istio-grpc-server"
        http:
          - match:
              - port: 8080
            route:
              - destination:
                  host: istio-grpc-server
                  subset: v1
                weight: 90
              - destination:
                  host: istio-grpc-server
                  subset: v2
                weight: 10
    5. 执行以下命令,登录到客户端 Pod 容器。
      kubectl exec -it -n grpc-sidecar istio-grpc-client-dd56bcb45-zhfsg sh
    6. 进入容器后,执行以下命令:
      /bin/greeter-client --insecure=true --address=istio-grpc-server:8080 --repeat=100

      可以看到所有的请求分别指向了对应的 2 个 Pod,但比例接近于90:10,并非默认的 Round-Robin。

    7. 选择虚拟服务页签,找到 grpc-sidecar 命名空间下名为 vs-istio-grpc-server 的虚拟服务,单击 YAML,调整虚拟服务的权重,以查看调用的不同结果。
      修改内容如下:
           route:
              - destination:
                  host: istio-grpc-server
                  subset: v1
                weight: 0
              - destination:
                  host: istio-grpc-server
                  subset: v2
                weight: 100
    8. 通过 Kubectl 登录容器,执行以下命令:
      /bin/greeter-client --insecure=true --address=istio-grpc-server:8080 --repeat=100

      可以看到所有的请求分别指向了对应的 1 个 Pod,即版本 v2 对应的 Pod。