使用 Istio 为内部 gRPC 服务实现负载平衡

本教程将介绍如何使用 Istio，为在 Google Kubernetes Engine (GKE) 上运行的 gRPC 服务设置内部 TCP/UDP 负载平衡。此设置允许 VPC 网络中的其他资源使用专用的内部 (RFC 1918) IP 地址与 gRPC 服务进行通信，而 Istio 则负责处理运行 gRPC 服务的 Kubernetes Pod 之间的路由和负载平衡请求。

本教程假定您具备 gRPC 和 GKE 或 Kubernetes 的基础知识。

简介

Istio 为传入和离开服务网格的流量提供了管理网关。Istio 内部负载平衡器 (ILB) 网关将来自内部 VPC 网络中的源的入站流量路由到服务网格中的 Kubernetes Pod。在这种架构中，Google Cloud 内部 TCP/UDP 负载平衡机制在 GKE 集群中的节点之间执行第 4 层（传输层）负载平衡。Istio ILB 网关接收流量并执行第 7 层（应用层）负载平衡，利用在虚拟服务和目标规则中定义的规则将流量分发给 Istio 服务网格中的服务。

本教程中使用的示例 gRPC 服务会返回一个响应标头，该标头中包含处理请求的 Kubernetes Pod 的名称。根据这些信息，您可以看到 Istio ILB 网关执行负载平衡，将客户端通过单个连接发出的请求分发给 GKE 集群中的多个 Kubernetes Pod。

目标

使用 Istio 和 Istio ILB 网关创建 GKE 集群。
部署示例 gRPC 服务。
验证内部连接。

费用

本教程使用 Google Cloud 的以下收费组件：

您可使用价格计算器根据您的预计使用量来估算费用。 Google Cloud 新用户可能有资格申请免费试用。

完成本教程后，您可以删除所创建的资源以避免继续计费。如需了解详情，请参阅清理。

准备工作

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注意：如果您不打算保留在此过程中创建的资源，请创建新的项目，而不要选择现有的项目。完成本教程介绍的步骤后，您可以删除所创建的项目，并移除与该项目关联的所有资源。

确保您的 Google Cloud 项目已启用结算功能。了解如何确认您的项目已启用结算功能。

初始化环境

在 Cloud Console 的选择项目下拉列表中，选择要使用的项目。
打开 Cloud Shell：

转到 Cloud Shell

您可以使用 Cloud Shell 运行本教程中的所有命令。

启用 Cloud Build API、Google Kubernetes Engine API、Container Analysis API 和 Cloud API：

gcloud services enable \
    cloudapis.googleapis.com \
    cloudbuild.googleapis.com \
    container.googleapis.com \
    containeranalysis.googleapis.com

为您要在本教程中使用的 Compute Engine 地区设置 gcloud 默认值：
```
gcloud config set compute/zone us-central1-b
```
本教程使用 us-central1-b 地区。您可以根据自己的需要更改地区。

克隆包含示例 gRPC 服务的 Git 代码库，并切换到工作目录：

git clone https://github.com/GoogleCloudPlatform/istio-samples.git
cd istio-samples/sample-apps/grpc-greeter-go

使用 Istio 创建 GKE 集群

在 Cloud Shell 中创建一个 GKE 集群：

gcloud beta container clusters create grpc-istio-ilb-tutorial \
    --machine-type n1-standard-2 \
    --enable-ip-alias

为您自己授予该集群的管理员权限：

kubectl create clusterrolebinding cluster-admin-binding \
    --clusterrole cluster-admin \
    --user $(gcloud config get-value account)

您必须具有 cluster-admin Kubernetes 集群角色中定义的权限才能安装 Istio。

创建一个名为 istio-system 的 Kubernetes 命名空间：
```
kubectl create namespace istio-system
```

下载并解压 Istio：

ISTIO_VERSION=1.2.7
curl -L https://github.com/istio/istio/releases/download/$ISTIO_VERSION/istio-$ISTIO_VERSION-linux.tar.gz | tar -zxf -

使用 Helm 的本地模板渲染来安装 Istio 自定义资源定义 (CRD)：

helm template \
    istio-$ISTIO_VERSION/install/kubernetes/helm/istio-init \
    --namespace istio-system | kubectl apply -f -

使用 Helm 通过 ILB 网关 (istio-ilbgateway) 安装 Istio：

ISTIO_PACKAGE=$ISTIO_VERSION-gke.0

helm template \
    istio-$ISTIO_VERSION/install/kubernetes/helm/istio \
    --set gateways.istio-ingressgateway.enabled=false \
    --set gateways.istio-ilbgateway.enabled=true \
    --set gateways.istio-ilbgateway.ports[0].name=grpc-pilot-mtls \
    --set gateways.istio-ilbgateway.ports[0].port=15011 \
    --set gateways.istio-ilbgateway.ports[1].name=grpc \
    --set gateways.istio-ilbgateway.ports[1].port=443 \
    --set gateways.istio-ilbgateway.ports[2].name=tcp-citadel-grpc-tls \
    --set gateways.istio-ilbgateway.ports[2].port=8060 \
    --set gateways.istio-ilbgateway.ports[2].targetPort=8060 \
    --set gateways.istio-ilbgateway.ports[3].name=tcp-dns \
    --set gateways.istio-ilbgateway.ports[3].port=5353 \
    --set global.hub=gcr.io/gke-release/istio \
    --set global.tag=$ISTIO_PACKAGE \
    --namespace istio-system | kubectl apply -f -

检查 istio-ilbgateway Kubernetes 服务的外部 IP 地址的创建状态：
```
kubectl get services istio-ilbgateway -n istio-system --watch
```
等待 EXTERNAL-IP 值从 <pending> 更改为 IP 地址。按 Control+C 即可停止等待。

为 Istio ILB 网关创建传输层安全协议 (TLS) 证书

在 Cloud Shell 中，创建 TLS 证书和私钥以允许 Istio ILB 网关终止 TLS：

openssl req -x509 -nodes -newkey rsa:2048 -days 365 \
    -keyout privkey.pem -out cert.pem -subj "/CN=grpc.example.com"

创建用于存储 TLS 证书和私钥的 Kubernetes Secret：

kubectl -n istio-system create secret tls istio-ilbgateway-certs \
    --key privkey.pem --cert cert.pem \
    --dry-run -o yaml | kubectl apply -f -

安装示例应用

下一步是为示例 gRPC 服务构建一个容器映像，并将其部署到您的 GKE 集群。示例 gRPC 服务由一个客户端组件（称为 gRPC 客户端）和一个服务器组件（称为 gRPC 服务器）构成。

在 Cloud Shell 中，在 default 命名空间中启用自动 Istio 辅助信息文件注入功能：
```
kubectl label namespace default istio-injection=enabled
```

使用 Cloud Build 为 gRPC 服务器创建容器映像：

gcloud builds submit server -t gcr.io/$GOOGLE_CLOUD_PROJECT/grpc-greeter-go-server

为 gRPC 服务器创建 Kubernetes Deployment 和 Service 对象：

envsubst < manifests/greeter-k8s.template.yaml | kubectl apply -f -

验证系统是否已创建 ClusterIP Kubernetes 服务，确认 Pod 是否在运行：

kubectl get services,pods

输出类似于以下内容：

NAME                 TYPE        CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP   PORT(S)    AGE
service/greeter      ClusterIP   10.0.18.67   <none>        8080/TCP   11s
service/kubernetes   ClusterIP   10.0.16.1    <none>        443/TCP    1h

NAME                          READY   STATUS    RESTARTS   AGE
pod/greeter-844cffd75-7hpcb   2/2     Running   0          56s
pod/greeter-844cffd75-ffccl   2/2     Running   0          56s
pod/greeter-844cffd75-zww6h   2/2     Running   0          56s

Pod 在 READY 列中显示 2/2。这样的输出结果表示：对于每个 Pod，gRPC 服务器容器和 Envoy Sidecar 容器都在运行。

为 gRPC 服务器创建 Istio 网关、虚拟服务和目标规则对象：

kubectl apply -f manifests/greeter-istio-ilbgateway.yaml \
    -f manifests/greeter-istio-virtualservice.yaml \
    -f manifests/greeter-istio-destinationrule.yaml

验证是否已成功创建全部三个对象：

kubectl get gateway,virtualservice,destinationrule

输出类似于以下内容：

NAME                                  AGE
gateway.networking.istio.io/greeter   1m

NAME                                         GATEWAYS    HOSTS   AGE
virtualservice.networking.istio.io/greeter   [greeter]   [*]     1m

NAME                                          HOST      AGE
destinationrule.networking.istio.io/greeter   greeter   1m

验证内部连接

内部 TCP/UDP 负载平衡是区域性的，因此您可以测试相同地区或区域中的虚拟机发起的连接。

在 Cloud Shell 中，使用 Cloud Build 为 gRPC 客户端创建容器映像：

gcloud builds submit client \
    -t gcr.io/$GOOGLE_CLOUD_PROJECT/grpc-greeter-go-client

在 GKE 集群所在的相同地区或区域内创建一个 Compute Engine 实例：

gcloud compute instances create grpc-istio-ilb-tutorial-client-vm \
    --scopes https://www.googleapis.com/auth/devstorage.read_only \
    --image-project cos-cloud \
    --image-family cos-stable

为了从 Container Registry 下载映像，必须使用 devstorage.read_only 范围。

将 Istio ILB 网关 IP 地址存储在名为 ilb-ip.txt 的文件中：

kubectl -n istio-system get services istio-ilbgateway \
    -o jsonpath='{.status.loadBalancer.ingress[0].ip}' > ilb-ip.txt

将自签名 TLS 证书和包含 Istio ILB 网关 IP 地址的文件复制到虚拟机：
```
gcloud compute scp cert.pem ilb-ip.txt grpc-istio-ilb-tutorial-client-vm:~
```

使用 SSH 连接到虚拟机：

gcloud compute ssh grpc-istio-ilb-tutorial-client-vm

在虚拟机上，从 Compute Engine 元数据服务器中查询项目 ID，并将查询结果存储在环境变量 GOOGLE_CLOUD_PROJECT 内。
```
GOOGLE_CLOUD_PROJECT=$(curl -sH "Metadata-Flavor: Google" \
    http://metadata.google.internal/computeMetadata/v1/project/project-id)
```
Cloud Shell 中默认会设置环境变量 GOOGLE_CLOUD_PROJECT，但在虚拟机中则不会进行这样的默认设置。
获取 Container Registry 凭据，以便配合 docker 命令使用：
```
docker-credential-gcr configure-docker
```

运行 gRPC 客户端容器映像：

docker run --rm -v $(pwd)/cert.pem:/data/cert.pem \
    --add-host grpc.example.com:$(cat ilb-ip.txt) \
    gcr.io/$GOOGLE_CLOUD_PROJECT/grpc-greeter-go-client \
    --address=grpc.example.com:443

输出类似于以下内容：

2019/03/27 15:12:53 Hello world from greeter-844cffd75-ffccl
2019/03/27 15:12:53 Hello world from greeter-844cffd75-zww6h
2019/03/27 15:12:53 Hello world from greeter-844cffd75-7hpcb
2019/03/27 15:12:53 Hello world from greeter-844cffd75-ffccl
2019/03/27 15:12:53 Hello world from greeter-844cffd75-zww6h
2019/03/27 15:12:53 Hello world from greeter-844cffd75-7hpcb
2019/03/27 15:12:53 Hello world from greeter-844cffd75-ffccl
2019/03/27 15:12:53 Hello world from greeter-844cffd75-zww6h
2019/03/27 15:12:53 Hello world from greeter-844cffd75-7hpcb

此输出显示，gRPC 一元请求由 gRPC 服务器 Pod（名为 greeter-*）根据 Istio 目标规则内的 loadBalancer 配置（本例中为 ROUND_ROBIN）进行处理。

退出 SSH 会话：
```
exit
```

检查源代码

为了更好地了解负载平衡配置，您可以查看示例应用的源代码。

例如，要了解 gRPC 客户端显示的消息，请查看服务器和客户端的 Go 源代码。在 gRPC 服务器处理请求时，它会查找主机名并将其添加为名为 hostname 的响应标头。由于服务器在 Kubernetes Pod 中运行，因此主机名就是这个 Pod 的名称。

sample-apps/grpc-greeter-go/server/server.go

在 GitHub 上查看

hostname, err := os.Hostname()
if err != nil {
	log.Printf("Unable to get hostname %v", err)
}
if hostname != "" {
	grpc.SendHeader(ctx, metadata.Pairs("hostname", hostname))
}

在 gRPC 客户端收到来自服务器的响应时，它会获取 hostname 标头并在控制台中显示此标头。

sample-apps/grpc-greeter-go/client/client.go

在 GitHub 上查看

if len(header["hostname"]) > 0 {
	hostname = header["hostname"][0]
}
log.Printf("%s from %s", r.Message, hostname)

若要了解 gRPC 客户端在控制台中显示的 Kubernetes Pod 名称，请查看 gRPC 服务器的 Istio 配置。请注意，DestinationRule 对象将 ROUND_ROBIN 指定为 loadBalancer 算法。此算法是传入请求在 Kubernetes 部署中的 Pod 之间轮转的原因。

sample-apps/grpc-greeter-go/manifests/greeter-istio-destinationrule.yaml

在 GitHub 上查看

apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: DestinationRule
metadata:
  name: greeter
spec:
  host: greeter
  trafficPolicy:
    loadBalancer:
      simple: ROUND_ROBIN
    tls:
      mode: ISTIO_MUTUAL

问题排查

如果您在使用本教程时遇到问题，我们建议您查看以下文档：

清理

为避免因本教程中使用的资源导致您的 Google Cloud 帐号产生费用，请执行以下操作：

在 Cloud Shell 中，删除 GKE 集群：

gcloud container clusters delete grpc-istio-ilb-tutorial --quiet --async

删除 Container Registry 中的映像：

gcloud container images delete gcr.io/$GOOGLE_CLOUD_PROJECT/grpc-greeter-go-client \
    --force-delete-tags --quiet
gcloud container images delete gcr.io/$GOOGLE_CLOUD_PROJECT/grpc-greeter-go-server \
    --force-delete-tags --quiet

删除 Compute Engine 实例：

gcloud compute instances delete grpc-istio-ilb-tutorial-client-vm --quiet

后续步骤

探索 Istio 的其他 Google Cloud 演示、教程和示例。
浏览示例，了解如何将 gRPC 服务公开给 Kubernetes 集群中的客户端。
了解 Google Kubernetes Engine 网络。
了解 gRPC 负载平衡的选项。
使用 Cloud Endpoints Extensible Service Proxy 和 Google Kubernetes Engine 部署 gRPC 服务。
试用其他 Google Cloud 功能。查阅我们的教程。