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图解 Istio & Envoy 请求处理流程、超时、熔断、指标监控 - 加入 http2

 ·  ☕ 6 分钟

💂 关于封面：
Tower Bridge watercolor painting by Juan Bosco

📚 摘录说明：
本文摘自一本我在写作中的开源书《Istio & Envoy 内幕》 中 Envoy 请求与响应调度 一节。如果你看到的转载图片不清，可回到原书。《Istio & Envoy 内幕》epub 格式下载

🎤 正式开编前。想说说写本节的一些故事缘由。为何去研究 Envoy 的请求与响应调度？

缘起于一个客户需求，需要对 Istio 网格节点故障快速恢复做一些调研。为此，我翻阅了大量的 Istio/Envoy 文档、大咖 Blog。看了很多很杂乱的信息：

  • 健康检测
  • 熔断
  • Envoy 中的各个神秘又关系千丝万缕的 timeout 配置
  • 请求 Retry
  • TCP keepalive、TCP_USER_TIMEOUT 配置

杂乱到最后，我不得不写个文章去梳理一下信息：Istio 网格节点故障快速恢复初探 。 但信息是梳理了，基础原理却没理顺。于是，我下决心去钻研一下 Envoy 的文档。是的，其实 Envoy 的文档已经写得比较细致。只是：

  • 信息散落在一个个网页中，无法用时序和流程的方法组织起来，构成一个有机的整体。
  • 不去了解这个整体协作关系，只是一个一个参数分开来看，是无法理性去权衡这些参数的。
  • 指标与指标，指标与参数，关系复杂
  • 而上面的关系，都可以通过请求与响应调度流程串联起来

基于上面原因。我从文档、参数、指标推导出以下流程。注意：暂时未完全在代码中验证，请谨慎参考。

本文写于 2022-10-01

  1. 更新于 2024-06-08 : 加入 http2 相关流程，并在 draw.io 图中加入到相关源码的链接

请求与响应调度

本质上说，Envoy 就是一个代理。说起代理，第一反应应该是有以下流程的软件/硬件：

  1. 接收来自 downstream 的 Request
  2. 做一些逻辑，必要时修改 Request ，并判定upstream目的地
  3. 转发（修改后）的 Request 到upstream
  4. 如果协议是一个 Request & Reponse 式的协议（如 HTTP）
    1. 代理通常会接收upstream的Response
    2. 做一些逻辑，必要时修改 Response
    3. 转发 Response 给 downstream

的确，这也是 Envoy 代理 HTTP 协议的概要流程。但 Envoy 还要实现很多特性：

  1. 高效的 downstream / upstream 传输 ➡️ 需要连接复用与连接池
  2. 灵活配置的转发目标服务策略 ➡️ 需要 Router配置策略与实现逻辑
  3. 弹性服务 (resilient micro-services)
    1. 负载均衡
    2. 突发流量的削峰平谷 ➡️ 请求排队： pending request
    3. 应对异常 upstream、熔断器、保护服务不雪崩 ➡️ 各种 timeout 配置、 Health checking 、 Outlier detection 、 Circuit breaking
    4. 弹性重试 ➡️ retry
  4. 可观察性 ➡️ 无处不在的性能指标
  5. 动态编程配置接口 ➡️ xDS: EDS/LDS/…

要实现这些特性，请求与响应的流程自然不可能简单。

💡 看到这里，读者可能有疑问，本节的标题叫 “请求与响应调度” ？ 难度 Envoy 需要类似 Linux Kernel 调度线程一样，去调度处理 Request 吗？
对的，你说到点上了。

Envoy 应用了 事件驱动 设计模式。事件驱动 的程序，相对于 非事件驱动 的程序，可以用更少的线程，更灵活地控制在什么时候做什么任务，即更灵活的调度逻辑。且更绝的是：由于线程间共享的数据不多，线程的数据并发控制同时被大大简化。

在本节中，事件类型最少有：

  • 外部的网络可读、可写、连接关闭事件
  • 各类定时器
    • 重试定时
    • 各种超时配置定时

由于使用了无限的请求分配到有限的线程的模式，加上请求可能需要重试，所以线程一定要有一系列的逻辑，来 “排序” 什么请求应该先处理。什么请求由于 超时 或资源使用 超过配置上限 而应立即返回失败。

按本书的习惯，先上图。后面，对这个图一步步展开和说明。

💡 互动图书：

  • 建议用 Draw.io 打开。图中包含大量的链接，链接到每一个组件、配置项、指标的文档说明。
  • 双屏，一屏看图，一屏看文档，是本书的正确阅读姿势。如果你在用手机看，那么，忽略我吧 🤦
图：Envoy 请求与响应调度

图：Envoy HTTP1 请求与响应调度

用 Draw.io 打开

图：Envoy HTTP/2 请求与响应调度

图：Envoy HTTP/2 请求与响应调度

用 Draw.io 打开

相关组件

上图是尝试说明 Envoy 请求与响应调度 过程，以及串联相关的组件。其中可以看到一些组件：

  • Listener - 应答 downstream 连接请求
  • HTTP Connection Manager(HCM) - HTTP 的核心组件，推动 http 流的读取、解释、路由(Router)
  • HCM-router - HTTP 路由核心组件，职责是:
    • 判定 HTTP 下一跳的目标 cluster，即 upsteam cluster
    • 重试
  • Load balancing - upstream cluster 内的负载均衡
  • pending request queue - 等待连接池可用连接的请求队列
  • requests bind to connection - 已经分配到连接的请求
  • connection pool - worker 线程与 upstream host 专用的连接池
  • health checker/Outlier detection - upsteam host 健康监视，发现异常 host 并隔离。

和一些 Circuit breaking(熔断开关) 上限条件：

  • max_retries - 最大重试并发上限
  • max_pending_requests - pending request queue 的队列上限
  • max_request - 最大并发请求数上限
  • max_connections - upstream cluster 的最大连接上限

需要注意的是，上面的参数是对于整个 upstream cluster 的，即是所有 worker thread、upstream host 汇总的上限。

相关的监控指标

我们用类似著名的 Utilization Saturation and Errors (USE) 方法学来分类指标。

资源过载形的指标：

资源饱和度指标：

  • upstream_rq_pending_active
  • upstream_rq_pending_total
  • upstream_rq_active

错误形的指标：

  • upstream_rq_retry
  • ejections_acive
  • ejections_*
  • ssl.connection_error

信息形的指标：

  • upstream_cx_total
  • upstream_cx_active
  • upstream_cx_http*_total

由于图中已经说明了指标、组件、配置项的关系，这里就不再文字叙述了。图中也提供了到指标文档和相关配置的链接。

Envoy 请求调度流程

先说说请求组件流转部分，流程图可以从相关的文档推理为（未完全验证，存在部分推理）：

图：Envoy 请求与响应时序线

图：Envoy 请求调度流程图
用 Draw.io 打开

图：Envoy HTTP/2 请求调度流程图

图：Envoy HTTP/2 请求调度流程图
用 Draw.io 打开

请求与响应调度时序线

本节开头说了，写本节的直接缘由是: 需要对 Istio 网格节点故障快速恢复做一些调研。快速恢复 的前提是：

  • 对已经发送到 故障 upstream host 或绑定到 故障 upstream host 的请求，快速响应失败
  • 用 Outlier detection / health checker 识别出 故障 upstream host ，并把它移出负载均衡列表

所有问题都依赖于一个问题：如何定义和发现 upstream host 出了故障？

  • 网络分区或对端崩溃或负载过高
    • 大多数情况下，分布式系统只能通过超时来发现这种问题。所以，要发现 故障 upstream host 或 故障 request ，需要配置
  • 对端有响应，L7 层的失败（如 HTTP 500），或 L3 层的失败（如 TCP REST/No router to destination/ICMP error）
    • 这是可以快速发现的失败

对于 网络分区或对端崩溃或负载过高，需要 timeout 发现的情况，Envoy 提供了丰富的 timeout 配置。丰富到有时让人不知道应该用哪个才是合理的。甚至配置一不小心，就配置出一些逻辑上长短与实现设计矛盾的值。所以，我尝试用理清楚 请求与响应调度时序线 ，然后看相关 timeout 配置关联到这个时间线的哪个点，那么整个逻辑就清楚了。配置也更容易合理化了。

下图是请求与响应的时序线，以及相关的 timeout 配置与产生的指标，以及它们的联系。

图：Envoy 请求与响应时序线

图：Envoy 请求与响应时序线
用 Draw.io 打开

简单说明一下时间线：

  1. 如果 downstream 复用了之前的连接，可以跳过 2 & 3
  2. downstream发起 新连接(TCP 握手)
  3. TLS 握手
  4. Envoy 接收 downstream request header & body
  5. Envoy 执行路由(Router)规则，判定下一跳的 upstream cluster
  6. Envoy 执行 Load Balancing 算法 ，判定下一跳的 upstream cluster 的 upstream host
  7. 如果 Envoy 已经有空闲连接到 upstream host，则跳过 8 & 9
  8. Envoy 向 upstream host 发起新连接(TCP 握手)
  9. Envoy 向 upstream host 发起TLS 握手
  10. Envoy 向 upstream host 转发送 requst header & body
  11. Envoy 接收 upstream host 响应的 response header & body
  12. upstream host 连接开始 idle
  13. Envoy 向 downstream 转发送 response header & body
  14. downstream host 连接开始 idle

相应地，图中也标注了相关超时配置与时间线步骤的关系，从开始计时顺序排列如下

  • max_connection_duration

  • transport_socket_connect_timeout

    • 指标 listener.downstream_cx_transport_socket_connect_timeout

  • request_headers_timeout

  • requst_timeout

  • Envoy 的 route.timeout 即 Istio 的 Istio request timeout(outbound)

    注意，这个超时值是把 请求处理时实际的 retry 的总时间也算上的。

    • 指标 cluster.upstream_rq_timeout
    • 指标 vhost.vcluster.upstream_rq_timeout

  • max_connection_duration

  • connection_timeout

    • 指标 upstream_cx_connect_timeout

  • transport_socket_connect_timeout

  • httpprotocoloptions.idle_timeout

总结

想要 Envoy 在压力与异常情况下，有个比较符合预期的表现，需要给 Envoy 一些合理于具体应用环境与场景的配置。而要配置好这堆参数的前提，是对相关处理流程与逻辑的洞察。 上面把 请求与响应调度 与 请求与响应调度时序线 都过了一遍。希望对了解这些方面有一定的帮助。

不只是 Envoy ，其实所有做代理的中间件，可能最核心的东西都在这一块了。所以，不要期望一下把知识完全吃透。这里，也只是希望让读者在这些流程上，有一个线索，然后通过线索去学习，方可不迷失方向。

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Mark Zhu
作者
Mark Zhu
An old developer

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