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使用ASM为网格内gRPC服务实现负载均衡

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一键部署

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负载均衡器足以胜任,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

通过以下示例可以看出,在Kubernetes下gRPC服务间调用的负载不均衡问题。

前提条件

操作步骤

  1. 在grpc-nosidecar命名空间下,部署gRPC服务的服务端istio-grpc-server。

    1. 使用以下内容,创建istio-grpc-server.yaml。

      展开查看istio-grpc-server.yaml

      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
      ---
    2. 执行以下命令,部署istio-grpc-server。

      kubectl apply -n grpc-nosidecar -f istio-grpc-server.yaml
  2. 在grpc-nosidecar命名空间下,部署gRPC服务的客户端istio-grpc-client。

    1. 使用以下内容,创建istio-grpc-client.yaml。

      展开查看istio-grpc-client.yaml

      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
      ---
    2. 执行以下命令,部署istio-grpc-client。

      kubectl apply -n grpc-nosidecar -f istio-grpc-client.yaml
  3. 执行以下命令,查看Pod运行状态。

    kubectl get pod -n grpc-nosidecar

    预期输出:

    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
  4. 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
  5. 进入容器后,执行以下命令。

    /bin/greeter-client --insecure=true --address=istio-grpc-server:8080 --repeat=100

    预期输出:

    2024/02/07 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
    2024/02/07 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
    2024/02/07 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
    2024/02/07 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
    2024/02/07 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
    2024/02/07 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
    2024/02/07 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
    2024/02/07 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
    2024/02/07 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
    2024/02/07 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd
    2024/02/07 14:37:14 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-276bd

    可以看到所有的请求都指向了一个Pod。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

操作步骤

  1. 在grpc-sidecar命名空间下,部署gRPC服务的服务端istio-grpc-server。

    1. 使用以下内容,创建istio-grpc-server.yaml。

      展开查看istio-grpc-server.yaml

      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
      ---
    2. 执行以下命令,部署istio-grpc-server。

      kubectl apply -n grpc-sidecar -f istio-grpc-server.yaml
  2. 在grpc-sidecar命名空间下,部署gRPC服务的客户端istio-grpc-client。

    1. 使用以下内容,创建istio-grpc-client.yaml。

      展开查看istio-grpc-client.yaml

      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
      ---
    2. 执行以下命令,部署istio-grpc-client。

      kubectl apply -n grpc-sidecar -f istio-grpc-client.yaml
  3. 执行以下命令,查看Pod运行状态。

    kubectl get pod -n grpc-sidecar

    预期输出:

    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

    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。

  4. 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 -c istio-grpc-client sh
  5. 进入容器后,执行以下命令。

    /bin/greeter-client --insecure=true --address=istio-grpc-server:8080 --repeat=100

    预期输出:

    2024/02/07 14:53:16 Hello world from istio-grpc-server-v1-546d9876c4-tndsm
    2024/02/07 14:53:16 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-99v62
    2024/02/07 14:53:16 Hello world from istio-grpc-server-v1-546d9876c4-tndsm
    2024/02/07 14:53:16 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-99v62
    2024/02/07 14:53:16 Hello world from istio-grpc-server-v1-546d9876c4-tndsm
    2024/02/07 14:53:16 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-99v62
    2024/02/07 14:53:16 Hello world from istio-grpc-server-v1-546d9876c4-tndsm
    2024/02/07 14:53:16 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-99v62
    2024/02/07 14:53:16 Hello world from istio-grpc-server-v1-546d9876c4-tndsm
    2024/02/07 14:53:16 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-99v62
    2024/02/07 14:53:16 Hello world from istio-grpc-server-v1-546d9876c4-tndsm
    2024/02/07 14:53:16 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-99v62

    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。

  6. 配置服务网格ASM实例的控制平面。

    1. 在ASM实例中创建grpc-sidecar命名空间。具体操作,请参见新建命名空间

    2. 使用以下内容,在grpc-sidecar命名空间创建目标规则。具体操作,请参见管理目标规则

      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"
    3. 使用以下内容,在grpc-sidecar命名空间创建虚拟服务。具体操作,请参见管理虚拟服务

      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
    4. 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 -c istio-grpc-client sh
    5. 进入容器后,执行以下命令。

      /bin/greeter-client --insecure=true --address=istio-grpc-server:8080 --repeat=100

      预期输出:

      2024/02/07 14:56:16 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-99v62
      2024/02/07 14:56:16 Hello world from istio-grpc-server-v1-546d9876c4-tndsm
      2024/02/07 14:56:16 Hello world from istio-grpc-server-v1-546d9876c4-tndsm
      2024/02/07 14:56:16 Hello world from istio-grpc-server-v1-546d9876c4-tndsm
      2024/02/07 14:56:16 Hello world from istio-grpc-server-v1-546d9876c4-tndsm
      2024/02/07 14:56:16 Hello world from istio-grpc-server-v1-546d9876c4-tndsm
      2024/02/07 14:56:16 Hello world from istio-grpc-server-v1-546d9876c4-tndsm
      2024/02/07 14:56:16 Hello world from istio-grpc-server-v1-546d9876c4-tndsm
      2024/02/07 14:56:16 Hello world from istio-grpc-server-v1-546d9876c4-tndsm
      2024/02/07 14:56:16 Hello world from istio-grpc-server-v1-546d9876c4-tndsm

      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。

    6. 调整虚拟服务的权重,查看调用的不同结果。

      1. 登录ASM控制台,在左侧导航栏,选择服务网格 > 网格管理

      2. 网格管理页面,单击目标实例名称,然后在左侧导航栏,选择流量管理中心 > 虚拟服务

      3. 虚拟服务页面上方,选择grpc-sidecar命名空间,在操作列,单击vs-istio-grpc-server对应的查看YAML,在编辑对话框中,调整虚拟服务的权重,然后单击确认

        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
      4. 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 -c istio-grpc-client sh
      5. 进入容器后,执行以下命令。

        /bin/greeter-client --insecure=true --address=istio-grpc-server:8080 --repeat=100

        预期输出:

        2024/02/07 14:58:30 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-99v62
        2024/02/07 14:58:30 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-99v62
        2024/02/07 14:58:30 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-99v62
        2024/02/07 14:58:30 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-99v62
        2024/02/07 14:58:30 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-99v62
        2024/02/07 14:58:30 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-99v62
        2024/02/07 14:58:30 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-99v62
        2024/02/07 14:58:30 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-99v62
        2024/02/07 14:58:30 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-99v62
        2024/02/07 14:58:30 Hello world from istio-grpc-server-v2-66d9b8847-99v62

        可以看到所有的请求都指向了v2版本对应的Pod。

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