Istio初體驗：使用Spring Boot+gRPC構建微服務並部署
大家好，搞微服務也有好幾年時間，從16年開始就一直關注微服務，到現在一直在使用的還是SpringCloud原生那套，雖然後來出現了SpringCloud Alibaba，但由於前面的所有系統框架都已定，就沒有在變化，而在微服務的實施過程，為了降運維的服務度，先後使用了jenkins，docker， kubernetes等，就還是沒有使用過Istio。
基於這個原因，一直想嘗試下開發基於Istio的Service Mesh的應用。正好最近受夠了Spring Cloud的“折磨”，對Kubernetes也可以熟練使用了，而且網上幾乎沒有Spring Boot微服務部署到Istio的案例，我就開始考慮用Spring Boot寫個微服務的Demo並且部署到Istio。專案本身不復雜，就是傳送一個字串並且返回一個字串的最簡單的Demo。
1. 為什麼要用Istio？
目前，對於Java技術棧來說，構建微服務的最佳選擇是Spring Boot而Spring Boot一般搭配目前落地案例很多的微服務框架Spring Cloud來使用。
Spring Cloud看似很完美，但是在實際上手開發後，很容易就會發現Spring Cloud存在以下比較嚴重的問題：
-
服務治理相關的邏輯存在於Spring Cloud Netflix等SDK中，與業務程式碼緊密耦合。
-
SDK對業務程式碼侵入太大，SDK發生升級且無法向下相容時，業務程式碼必須做出改變以適配SDK的升級——即使業務邏輯並沒有發生任何變化。
-
各種元件令人眼花繚亂，質量也參差不齊，學習成本太高，且元件之間程式碼很難完全複用，僅僅為了實現治理邏輯而學習SDK也並不是很好的選擇。
-
綁定於Java技術棧，雖然可以接入其他語言但要手動實現服務治理相關的邏輯，不符合微服務“可以用多種語言進行開發”的原則。
-
Spring Cloud僅僅是一個開發框架，沒有實現微服務所必須的服務排程、資源分配等功能，這些需求要藉助Kubernetes等平臺來完成。但Spring Cloud與Kubernetes功能上有重合，且部分功能也存在衝突，二者很難完美配合。
替代Spring Cloud的選擇有沒有呢？有！它就是Istio。
Istio徹底把治理邏輯從業務程式碼中剝離出來，成為了獨立的程序（Sidecar）。部署時兩者部署在一起，在一個Pod裡共同執行，業務程式碼完全感知不到Sidecar的存在。這就實現了治理邏輯對業務程式碼的零侵入——實際上不僅是程式碼沒有侵入，在執行時兩者也沒有任何的耦合。這使得不同的微服務完全可以使用不同語言、不同技術棧來開發，也不用擔心服務治理問題，可以說這是一種很優雅的解決方案了。
所以，“為什麼要使用Istio”這個問題也就迎刃而解了——因為Istio解決了傳統微服務諸如業務邏輯與服務治理邏輯耦合、不能很好地實現跨語言等痛點，而且非常容易使用。只要會用Kubernetes，學習Istio的使用一點都不困難。
1.1. 為什麼要使用gRPC作為通訊框架？
在微服務架構中，服務之間的通訊是一個比較大的問題，一般採用RPC或者RESTful API來實現。
Spring Boot可以使用RestTemplate呼叫遠端服務，但這種方式不直觀，程式碼也比較複雜，進行跨語言通訊也是個比較大的問題；而gRPC相比Dubbo等常見的Java RPC框架更加輕量，使用起來也很方便，程式碼可讀性高，並且與Istio和Kubernetes可以很好地進行整合，在Protobuf和HTTP2的加持下效能也還不錯，所以這次選擇了gRPC來解決Spring Boot微服務間通訊的問題。並且，雖然gRPC沒有服務發現、負載均衡等能力，但是Istio在這方面就非常強大，兩者形成了完美的互補關係。
由於考慮到各種grpc-spring-boot-starter可能會對Spring Boot與Istio的整合產生不可知的副作用，所以這一次我沒有用任何的grpc-spring-boot-starter，而是直接手寫了gRPC與Spring Boot的整合。不想借助第三方框架整合gRPC和Spring Boot的可以簡單參考一下我的實現。
1.2. 編寫業務程式碼
首先使用Spring Initializr建立父級專案spring-boot-istio，並引入gRPC的依賴。pom檔案如下：
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0"
xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 https://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
<modelVersion>4.0.0</modelVersion>
<modules>
<module>spring-boot-istio-api</module>
<module>spring-boot-istio-server</module>
<module>spring-boot-istio-client</module>
</modules>
<parent>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-starter-parent</artifactId>
<version>2.2.6.RELEASE</version>
<relativePath/>
</parent>
<groupId>site.wendev</groupId>
<artifactId>spring-boot-istio</artifactId>
<version>0.0.1-SNAPSHOT</version>
<name>spring-boot-istio</name>
<description>Demo project for Spring Boot With Istio.</description>
<packaging>pom</packaging>
<properties>
<java.version>1.8</java.version>
</properties>
<dependencyManagement>
<dependencies>
<dependency>
<groupId>io.grpc</groupId>
<artifactId>grpc-all</artifactId>
<version>1.28.1</version>
</dependency>
</dependencies>
</dependencyManagement>
</project>
然後建立公共依賴模組spring-boot-istio-api，pom檔案如下，主要就是gRPC的一些依賴：
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0"
xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
<parent>
<artifactId>spring-boot-istio</artifactId>
<groupId>site.wendev</groupId>
<version>0.0.1-SNAPSHOT</version>
</parent>
<modelVersion>4.0.0</modelVersion>
<artifactId>spring-boot-istio-api</artifactId>
<dependencies>
<dependency>
<groupId>io.grpc</groupId>
<artifactId>grpc-all</artifactId>
</dependency>
<dependency>
<groupId>javax.annotation</groupId>
<artifactId>javax.annotation-api</artifactId>
<version>1.3.2</version>
</dependency>
</dependencies>
<build>
<extensions>
<extension>
<groupId>kr.motd.maven</groupId>
<artifactId>os-maven-plugin</artifactId>
<version>1.6.2</version>
</extension>
</extensions>
<plugins>
<plugin>
<groupId>org.xolstice.maven.plugins</groupId>
<artifactId>protobuf-maven-plugin</artifactId>
<version>0.6.1</version>
<configuration>
<protocArtifact>com.google.protobuf:protoc:3.11.3:exe:${os.detected.classifier}</protocArtifact>
<pluginId>grpc-java</pluginId>
<pluginArtifact>io.grpc:protoc-gen-grpc-java:1.28.1:exe:${os.detected.classifier}</pluginArtifact>
<protocExecutable>/Users/jiangwen/tools/protoc-3.11.3/bin/protoc</protocExecutable>
</configuration>
<executions>
<execution>
<goals>
<goal>compile</goal>
<goal>compile-custom</goal>
</goals>
</execution>
</executions>
</plugin>
</plugins>
</build>
</project>
建立src/main/proto資料夾，在此資料夾下建立hello.proto，定義服務間的介面如下：
syntax = "proto3";
option java_package = "site.wendev.spring.boot.istio.api";
option java_outer_classname = "HelloWorldService";
package helloworld;
service HelloWorld {
rpc SayHello (HelloRequest)
returns (HelloResponse) {}
}
message HelloRequest {
string name = 1;
}
message HelloResponse {
string message = 1;
}
很簡單，就是傳送一個name返回一個帶name的message。
然後生成服務端和客戶端的程式碼，並且放到java資料夾下。這部分內容可以參考gRPC的官方文件。
有了API模組之後，就可以編寫服務提供者（服務端）和服務消費者（客戶端）了。這裡我們重點看一下如何整合gRPC和Spring Boot。
1) 服務端
業務程式碼非常簡單：
/**
* 服務端業務邏輯實現
*
* @author 江文
* @date 2020/4/12 2:49 下午
*/
@Slf4j
@Component
public class HelloServiceImpl extends HelloWorldGrpc.HelloWorldImplBase {
@Override
public void sayHello(HelloWorldService.HelloRequest request,
StreamObserver<HelloWorldService.HelloResponse> responseObserver) {
// 根據請求物件建立響應物件，返回響應資訊
HelloWorldService.HelloResponse response = HelloWorldService.HelloResponse
.newBuilder()
.setMessage(String.format("Hello, %s. This message comes from gRPC.", request.getName()))
.build();
responseObserver.onNext(response);
responseObserver.onCompleted();
log.info("Client Message Received：[{}]", request.getName());
}
}
光有業務程式碼還不行，我們還需要在應用啟動時把gRPC Server也給一起啟動起來。首先寫一下Server端的啟動、關閉等邏輯：
/**
* gRPC Server的配置——啟動、關閉等
* 需要使用<code>@Component</code>註解註冊為一個Spring Bean
*
* @author 江文
* @date 2020/4/12 2:56 下午
*/
@Slf4j
@Componentpublic class GrpcServerConfiguration {
@Autowired
HelloServiceImpl service;
/** 注入配置檔案中的埠資訊 */
@Value("${grpc.server-port}")
private int port;
private Server server;
public void start() throws IOException {
// 構建服務端
log.info("Starting gRPC on port {}.", port);
server = ServerBuilder.forPort(port).addService(service).build().start();
log.info("gRPC server started, listening on {}.", port);
// 新增服務端關閉的邏輯
Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(() -> {
log.info("Shutting down gRPC server.");
GrpcServerConfiguration.this.stop();
log.info("gRPC server shut down successfully.");
}));
}
private void stop() {
if (server != null) {
// 關閉服務端
server.shutdown();
}
}
public void block() throws InterruptedException {
if (server != null) {
// 服務端啟動後直到應用關閉都處於阻塞狀態，方便接收請求
server.awaitTermination();
}
}
}
定義好gRPC的啟動、停止等邏輯後，就可以使用CommandLineRunner把它加入到Spring Boot的啟動中去了：
/**
* 加入gRPC Server的啟動、停止等邏輯到Spring Boot的生命週期中
*
* @author 江文
* @date 2020/4/12 3:10 下午
*/
@Component
public class GrpcCommandLineRunner implements CommandLineRunner {
@Autowired
GrpcServerConfiguration configuration;
@Override
public void run(String... args) throws Exception {
configuration.start();
configuration.block();
}
}
之所以要把gRPC的邏輯註冊成Spring Bean，就是因為在這裡要獲取到它的例項並進行相應的操作。
這樣，在啟動Spring Boot時，由於CommandLineRunner的存在，gRPC服務端也就可以一同啟動了。
2) 客戶端
業務程式碼同樣非常簡單：
/**
* 客戶端業務邏輯實現
*
* @author 江文
* @date 2020/4/12 3:26 下午
*/
@RestController
@Slf4j
public class HelloController {
@Autowired
GrpcClientConfiguration configuration;
@GetMapping("/hello")
public String hello(@RequestParam(name = "name", defaultValue = "JiangWen", required = false) String name) {
// 構建一個請求 HelloWorldService.HelloRequest request = HelloWorldService.HelloRequest
.newBuilder()
.setName(name)
.build(); // 使用stub傳送請求至服務端
HelloWorldService.HelloResponse response = configuration.getStub().sayHello(request);
log.info("Server response received: [{}]", response.getMessage());
return response.getMessage();
}
}
在啟動客戶端時，我們需要開啟gRPC的客戶端，並獲取到channel和stub以進行RPC通訊，來看看gRPC客戶端的實現邏輯：
/**
* gRPC Client的配置——啟動、建立channel、獲取stub、關閉等
* 需要註冊為Spring Bean
*
* @author 江文
* @date 2020/4/12 3:27 下午
*/
@Slf4j
@Component
public class GrpcClientConfiguration {
/** gRPC Server的地址 */
@Value("${server-host}")
private String host;
/** gRPC Server的埠 */
@Value("${server-port}")
private int port;
private ManagedChannel channel;
private HelloWorldGrpc.HelloWorldBlockingStub stub;
public void start() {
// 開啟channel
channel = ManagedChannelBuilder.forAddress(host, port).usePlaintext().build();
// 通過channel獲取到服務端的stub
stub = HelloWorldGrpc.newBlockingStub(channel);
log.info("gRPC client started, server address: {}:{}", host, port);
}
public void shutdown() throws InterruptedException {
// 呼叫shutdown方法後等待1秒關閉channel
channel.shutdown().awaitTermination(1, TimeUnit.SECONDS);
log.info("gRPC client shut down successfully.");
}
public HelloWorldGrpc.HelloWorldBlockingStub getStub() {
return this.stub;
}
}
比服務端要簡單一些。
最後，仍然需要一個CommandLineRunner把這些啟動邏輯加入到Spring Boot的啟動過程中：
/**
* 加入gRPC Client的啟動、停止等邏輯到Spring Boot生命週期中
*
* @author 江文
* @date 2020/4/12 3:36 下午
*/
@Component
@Slf4j
public class GrpcClientCommandLineRunner implements CommandLineRunner {
@Autowired
GrpcClientConfiguration configuration;
@Override
public void run(String... args) {
// 開啟gRPC客戶端
configuration.start();
// 新增客戶端關閉的邏輯
Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(() -> {
try {
configuration.shutdown();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}));
}
}
1.3､ 編寫Dockerfile
業務程式碼跑通之後，就可以製作Docker映象，準備部署到Istio中去了。
在開始編寫Dockerfile之前，先改動一下客戶端的配置檔案：
server:
port: 19090
spring:
application:
name: spring-boot-istio-clientserver-host: ${server-host}server-port: ${server-port}
接下來編寫Dockerfile：
1) 服務端：
FROM openjdk:8u121-jdk
RUN /bin/cp /usr/share/zoneinfo/Asia/Shanghai /etc/localtime \
&& echo 'Asia/Shanghai' >/etc/timezone
ADD /target/spring-boot-istio-server-0.0.1-SNAPSHOT.jar /ENV
SERVER_PORT="18080" ENTRYPOINT java -jar /spring-boot-istio-server-0.0.1-SNAPSHOT.jar
主要是規定服務端應用的埠為18080，並且在容器啟動時讓服務端也一起啟動。
2) 客戶端：
FROM openjdk:8u121-jdk
RUN /bin/cp /usr/share/zoneinfo/Asia/Shanghai /etc/localtime \
&& echo 'Asia/Shanghai' >/etc/timezoneADD /target/spring-boot-istio-client-0.0.1-SNAPSHOT.jar /ENV GRPC_SERVER_HOST="spring-boot-istio-server"ENV GRPC_SERVER_PORT="18888"ENTRYPOINT java -jar /spring-boot-istio-client-0.0.1-SNAPSHOT.jar \ --server-host=$GRPC_SERVER_HOST \ --server-port=$GRPC_SERVER_PORT
可以看到這裡添加了啟動引數，配合前面的配置，當這個映象部署到Kubernetes叢集時，就可以在Kubernetes的配合之下通過服務名找到服務端了。
同時，服務端和客戶端的pom檔案中新增：
<build>
<plugins>
<plugin>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
<configuration>
<executable>true</executable>
</configuration>
</plugin>
<plugin>
<groupId>com.spotify</groupId>
<artifactId>dockerfile-maven-plugin</artifactId>
<version>1.4.13</version>
<dependencies>
<dependency>
<groupId>javax.activation</groupId>
<artifactId>activation</artifactId>
<version>1.1</version>
</dependency>
</dependencies>
<executions>
<execution>
<id>default</id>
<goals>
<goal>build</goal>
<goal>push</goal>
</goals>
</execution>
</executions>
<configuration>
<repository>wendev-docker.pkg.coding.net/develop/docker/${project.artifactId}</repository>
<tag>${project.version}</tag>
<buildArgs>
<JAR_FILE>${project.build.finalName}.jar</JAR_FILE>
</buildArgs>
</configuration>
</plugin>
</plugins>
</build>
這樣執行mvn clean package時就可以同時把docker映象構建出來了。
2. 編寫部署檔案
有了映象之後，就可以寫部署檔案了：
1) 服務端：
apiVersion: v1
kind:
Servicemetadata:
name: spring-boot-istio-server
spec:
type: ClusterIP
ports:
- name: http
port: 18080
targetPort: 18080
- name: grpc
port: 18888
targetPort: 18888
selector:
app: spring-boot-istio-server
---apiVersion: apps/v1
kind:
Deploymentmetadata:
name: spring-boot-istio-server
spec:
replicas: 1
selector:
matchLabels:
app: spring-boot-istio-server
template:
metadata:
labels:
app: spring-boot-istio-server
spec:
containers:
- name: spring-boot-istio-server
image: wendev-docker.pkg.coding.net/develop/docker/spring-boot-istio-server:0.0.1-SNAPSHOT
imagePullPolicy: Always
tty: true
ports:
- name: http
protocol: TCP
containerPort: 18080
- name: grpc
protocol: TCP
containerPort: 18888
主要是暴露服務端的埠：18080和gRPC Server的埠18888，以便可以從Pod外部訪問服務端。
2) 客戶端：
apiVersion: v1
kind:
Servicemetadata:
name:
spring-boot-istio-client
spec:
type: ClusterIP
ports:
- name: http
port: 19090
targetPort: 19090
selector:
app: spring-boot-istio-client
---apiVersion: apps/v1
kind:
Deploymentmetadata:
name: spring-boot-istio-client
spec:
replicas: 1
selector:
matchLabels:
app: spring-boot-istio-client
template:
metadata:
labels:
app: spring-boot-istio-client
spec:
containers:
- name: spring-boot-istio-client
image: wendev-docker.pkg.coding.net/develop/docker/spring-boot-istio-client:0.0.1-SNAPSHOT
imagePullPolicy: Always
tty: true
ports:
- name: http
protocol: TCP
containerPort: 19090
主要是暴露客戶端的埠19090，以便訪問客戶端並呼叫服務端。
如果想先試試把它們部署到k8s可不可以正常訪問，可以這樣配置Ingress：
apiVersion: networking.k8s.io/v1beta1
kind:
Ingressmetadata:
name: nginx-web
annotations:
kubernetes.io/ingress.class: "nginx"
nginx.ingress.kubernetes.io/use-reges: "true"
nginx.ingress.kubernetes.io/proxy-connect-timeout: "600"
nginx.ingress.kubernetes.io/proxy-send-timeout: "600"
nginx.ingress.kubernetes.io/proxy-read-timeout: "600"
nginx.ingress.kubernetes.io/proxy-body-size: "10m"
nginx.ingress.kubernetes.io/rewrite-target: /
spec:
rules:
- host: dev.wendev.site
http:
paths:
- path: /
backend:
serviceName: spring-boot-istio-client
servicePort: 19090
Istio的閘道器配置檔案與k8s不大一樣：
apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind:
Gatewaymetadata:
name: spring-boot-istio-gateway
spec:
selector:
istio: ingressgateway
servers:
- port:
number: 80
name: http
protocol: HTTP
hosts:
- "*"
---apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: Virtual
Servicemetadata:
name: spring-boot-istio
spec:
hosts:
- "*"
gateways:
- spring-boot-istio-gateway
http:
- match:
- uri:
exact: /hello
route:
- destination:
host: spring-boot-istio-client
port:
number: 19090
主要就是暴露/hello這個路徑，並且指定對應的服務和埠。
3. 部署應用到Istio
首先搭建k8s叢集並且安裝istio。我使用的k8s版本是1.16.0，Istio版本是最新的1.6.0-alpha.1，使用istioctl命令安裝Istio。建議跑通官方的bookinfo示例之後再來部署本專案。
注：以下命令都是在開啟了自動注入Sidecar的前提下執行的
我是在虛擬機器中執行的k8s，所以istio-ingressgateway沒有外部ip：
$ kubectl get svc istio-ingressgateway -n istio-system
NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S)
AGEistio-ingressgateway NodePort 10.97.158.232 <none> 15020:30388/TCP,80:31690/TCP,443:31493/TCP,15029:32182/TCP,15030:31724/TCP,15031:30887/TCP,15032:30369/TCP,31400:31122/TCP,15443:31545/TCP 26h
所以，需要設定IP和埠，以NodePort的方式訪問gateway：
export INGRESS_PORT=$(kubectl -n istio-system get service istio-ingressgateway -o jsonpath='{.spec.ports[?(@.name=="http2")].nodePort}')
export SECURE_INGRESS_PORT=$(kubectl -n istio-system get service istio-ingressgateway -o jsonpath='{.spec.ports[?(@.name=="https")].nodePort}')
export INGRESS_HOST=127.0.0.1export GATEWAY_URL=$INGRESS_HOST:$INGRESS_PORT
這樣就可以了。
接下來部署服務：
$ kubectl apply -f spring-boot-istio-server.yml
$ kubectl apply -f spring-boot-istio-client.yml
$ kubectl apply -f istio-gateway.yml
必須要等到兩個pod全部變為Running而且Ready變為2/2才算部署完成。
接下來就可以通過
curl -s http://${GATEWAY_URL}/hello
訪問到服務了。如果成功返回了Hello, JiangWen. This message comes from gRPC.的結果，沒有出錯則說明部署完成。
GitHub地址： https://github.com/WenDev/spring-boot-istio-demo