深入解读Service Mesh的数据面Envoy


在前面的一篇文章《深入解读Service Mesh背后的技术细节》中,详细解读了Service Mesh中的技术细节。

但是对于数据面的关键组件Envoy没有详细解读,这篇文章补上。

一、Envoy的工作模式

1.jpg

Envoy的工作模式如图所示,横向是管理平面。

Envoy会暴露admin的API,可以通过API查看Envoy中的路由或者集群的配置。

例如通过curl http://127.0.0.1:15000/routes可以查看路由的配置,结果如下图,请记住路由的配置层级,后面在代码中会看到熟悉的数据结构。
2.png

routes下面有virtual_hosts,里面有带prefix的route,里面是route entry,里面是weight cluster,对于不同的cluster不同的路由权重,再里面是cluster的列表,有cluster的名称和权重。

再如通过curl http://127.0.0.1:15000/clusters可以得到集群也即cluster的配置,这里面是真正cluster的信息。
3.png

在另外一面,Envoy会调用envoy API去pilot里面获取路由和集群的配置,envoy API的详情可以查看https://www.envoyproxy.io/docs ... outes中的API文档,可以看到route的配置详情,也是按照上面的层级组织的。

当Envoy从pilot获取到路由和集群信息之后,会保存在内存中,当有个客户端要连接后端的时候,客户端处于Downstream,后端处于Upstream,当数据从Downstream流向Upstream的时候,会通过Filter,根据路由和集群的配置,选择后端的应用建立连接,将请求转发出去。

接下来我们来看Envoy是如何实现这些的。

二、Envoy的关键数据结构的创建

4.png

Envoy的启动会在main函数中创建Envoy::MainCommon,在它的构造函数中,会调用父类MainCommonBase的构造函数,创建Server::InstanceImpl,接下来调用InstanceImpl::initialize(...)。

接下来就进入关键的初始化阶段。

加载初始化配置,里面配置了Listener Discover Service、Router Discover Service、Cluster Discover Service等。
InstanceUtil::loadBootstrapConfig(bootstrap_, options);

创建AdminImpl,从而可以接受请求接口。
admin_.reset(new AdminImpl(initial_config.admin().accessLogPath(),
                         initial_config.admin().profilePath(), *this));

创建ListenerManagerImpl,用于管理监听,因为Downstream要访问Upstream的时候,envoy会进行监听,Downstream会连接监听的端口。
listener_manager_.reset(
  new ListenerManagerImpl(*this, listener_component_factory_, worker_factory_, time_system_));

在ListenerManagerImpl的构造函数中,创建了很多的worker,Envoy采用libevent监听socket的事件,当有一个新的连接来的时候,会将任务分配给某个worker进行处理,从而实现异步的处理。
ListenerManagerImpl::ListenerManagerImpl(...) {
for (uint32_t i = 0; i < server.options().concurrency(); i++) {
workers_.emplace_back(worker_factory.createWorker());
}


createWorker会创建WorkerImpl,初始化WorkerImpl需要两个重要的参数。

一个是allocateDispatcher创建出来的DispatcherImpl,用来封装libevent的事件分发的。

一个是ConnectionHandlerImpl,用来管理一个连接的。

我们接着看初始化过程,创建ProdClusterManagerFactory,用于创建Cluster Manager,管理上游的集群。
cluster_manager_factory_.reset(new Upstream::ProdClusterManagerFactory(...);

在ProdClusterManagerFactory会创建ClusterManagerImpl,在ClusterManagerImpl的构造函数中,如果配置了CDS,就需要订阅Cluster Discover Service。
if (bootstrap.dynamic_resources().has_cds_config()) {
cds_api_ = factory_.createCds(bootstrap.dynamic_resources().cds_config(), eds_config_, *this);
init_helper_.setCds(cds_api_.get());
}  

会调用ProdClusterManagerFactory::createCds,里面会创建CdsApiImpl。在CdsApiImpl的构造函数中,会创建CdsSubscription,订阅CDS,当集群的配置发生变化的时候,会调用CdsApiImpl::onConfigUpdate(...)。

接下来在InstanceImpl::initialize的初始化函数中,如果配置了LDS,就需要订阅Listener Discover Service。
if (bootstrap_.dynamic_resources().has_lds_config()) {
listener_manager_->createLdsApi(bootstrap_.dynamic_resources().lds_config());


ListenerManagerImpl的createLdsApi会调用ProdListenerComponentFactory的createLdsApi函数,会创建LdsApiImpl。在LdsApiImpl的构造函数中,会创建LdsSubscription,订阅LDS,当Listener的配置改变的时候,会调用LdsApiImpl::onConfigUpdate(...)。

三、Envoy的启动

5.png

MainCommonBase::run() 会调用InstanceImpl::run(),会调用InstanceImpl::startWorkers(),会调用ListenerManagerImpl::startWorkers。

startWorkers会将Listener添加到所有的worker中,然后启动worker的线程。
void ListenerManagerImpl::startWorkers(GuardDog& guard_dog) {

workers_started_ = true;

for (const auto& worker : workers_) {

    for (const auto& listener : active_listeners_) {

        addListenerToWorker(*worker, *listener);

    }

    worker->start(guard_dog);

}



对于每一个WorkerImpl,会调用ConnectionHandlerImpl的addListener函数,会创建ActiveListener对象,ActiveListener很重要,他的函数会在libevent收到事件的时候被调用。

在ActiveListener的构造函数中,会调用相同Worker的DispatcherImpl的createListener,创建Network::ListenerImpl,注意这个类的namespace,因为对于Envoy来讲,LDS里面有个Listener的概念,但是Socket也有Listener的概念,在Network这个namespace下面的,是对socket和libevent的封装。

在Network::ListenerImpl的构造函数中,当收到事件的时候,会调用注册的listenCallback函数。
if (bind_to_port) {

listener_.reset(evconnlistener_new(&dispatcher.base(), listenCallback, this, 0, -1, socket.fd()));

在listenCallback函数中,会调用onAccept函数,这个函数是ConnectionHandlerImpl::ActiveListener::onAccept函数。
listener->cb_.onAccept(std::make_unique<AcceptedSocketImpl>(fd, local_address, remote_address), listener->hand_off_restored_destination_connections_);

四、Envoy从Pilot中获取Listener

6.png

当Listener的配置有变化的时候,会调用LdsApiImpl::onConfigUpdate(...)。

会调用ListenerManagerImpl的addOrUpdateListener(...)函数,在这里面,会创建一个ListenerImpl,这里的listener是LDS定义的Listener,而非网络的Listener了。

在ListenerImpl的构造函数中,首先会创建ListenerFilter,可以对监听的socket进行定制化的配置,例如为了实现use_original_dst,就需要加入一个ListenerFilter。

为了创建ListenerFilter,先要调用ProdListenerComponentFactory::createListenerFilterFactoryList_来创建工厂。

创建完了ListenerFilter之后,为了对于进来的网络包进行处理,会创建NetworkFilter,正是这些NetworkFilter实现了对网络包的解析,并根据网络包的内容,实现路由和负载均衡策略。

为了创建NetworkFilter,先要调用ProdListenerComponentFactory::createNetworkFilterFactoryList_来创建工厂,在这个函数里面,会遍历所有的NamedNetworkFilterConfigFactory,也即起了名字的filter都过一遍,都有哪些呢?class NetworkFilterNameValues里面有定义,这里面最重要的是:
// HTTP connection manager filter

const std::string HttpConnectionManager = "envoy.http_connection_manager";

我们这里重点看HTTP协议的转发,我们重点看这个名字对应的HttpConnectionManagerFilterConfigFactory,并调用他的createFilterFactory函数,返回一个Network::FilterFactoryCb类型的callback函数。

五、Envoy订阅RDS

7.png

HttpConnectionManagerFilterConfigFactory的createFilterFactory函数最终调用createFilterFactoryFromProtoTyped函数中,会创建Router::RouteConfigProviderManagerImpl。
std::shared_ptr<Router::RouteConfigProviderManager> 

route_config_provider_manager 

    = context.singletonManager().getTyped

        <Router::RouteConfigProviderManager>(

        SINGLETON_MANAGER_REGISTERED_NAME(route_config_provider_manager), [&context] {

        return std::make_shared<Router::RouteConfigProviderManagerImpl>(context.admin());

});

创建完毕Router::RouteConfigProviderManagerImpl之后,会创建HttpConnectionManagerConfig,将Router::RouteConfigProviderManagerImpl作为成员变量传入。
std::shared_ptr<HttpConnectionManagerConfig> filter_config(new HttpConnectionManagerConfig(proto_config, context, *date_provider, *route_config_provider_manager));

在HttpConnectionManagerConfig的构造函数中,调用Router::RouteConfigProviderUtil::create。
route_config_provider_ = Router::RouteConfigProviderUtil::create(config, context_, stats_prefix_,route_config_provider_manager_);

Router::RouteConfigProviderUtil::create会调用RouteConfigProviderManagerImpl::createRdsRouteConfigProvider,在这个函数里面,会创建RdsRouteConfigSubscription订阅RDS,然后创建RdsRouteConfigProviderImpl。

当Router的配置发生变化的时候,会调用RdsRouteConfigProviderImpl::onConfigUpdate(),在这个函数里面,会从pilot获取Route的配置,生成ConfigImpl对象。

当我们仔细分析ConfigImpl的时候,我们发现,这个数据结构和第一节Envoy中的路由配置是一样的。

在ConfigImpl里面有RouteMatcher用于匹配路由,在RouteMatcher里面有VirtualHostImpl,在VirtualHostImpl里面有RouteEntryImplBase,其中一种RouteEntry是WeightedClusterEntry,在WeightedClusterEntry里面有cluster_name_和cluster_weight_。

到此RouteConfigProviderManagerImpl如何订阅RDS告一段落,我们回到HttpConnectionManagerFilterConfigFactory的createFilterFactoryFromProtoTyped中,在这个函数的最后一部分,将返回Network::FilterFactoryCb,是一个callback函数,作为createFilterFactoryFromProtoTyped的返回值。

在这个callback函数中,会创建Http::ConnectionManagerImpl,将HttpConnectionManagerConfig作为成员变量传入,Http::ConnectionManagerImpl是一个Network::ReadFilter。在Envoy里面,有Network::WriteFilter和Network::ReadFilter,其中从Downstream发送到Upstream的使用Network::ReadFilter对网络包进行处理,反方向的是使用Network::WriteFilter。

callback函数创建ConnectionManagerImpl之后调用filter_manager.addReadFilter,将ConnectionManagerImpl放到ReadFilter列表中。当然这个callback函数现在是不调用的。

createFilterFactoryFromProtoTyped的返回值callback函数会返回到ProdListenerComponentFactory::createNetworkFilterFactoryList_函数,这个函数返回一个callback函数列表,其中一个就是上面生成的这个函数。

再返回就回到了ListenerImpl的构造函数,他会调用addFilterChain,将ProdListenerComponentFactory::createNetworkFilterFactoryList_返回的callback函数列表加入到链里面。

六、当一个新的连接建立的时候

8.png

通过前面的分析,我们制定当一个新的连接建立的时候,会触发libevent的事件,最终调用ConnectionHandlerImpl::ActiveListener::onAccept函数。

在这个函数中,会调用使用上面createListenerFilterFactoryList_创建的ListenerFilter的工厂创建ListenerFilter,然后使用这些Filter进行处理。
// Create and run the filters

config_.filterChainFactory().createListenerFilterChain(*active_socket);

active_socket->continueFilterChain(true);

ConnectionHandlerImpl::ActiveSocket::continueFilterChain函数调用ConnectionHandlerImpl::ActiveListener::newConnection,创建一个新的连接。

在ConnectionHandlerImpl::ActiveListener::newConnection函数中,先是会调用DispatcherImpl::createServerConnection,创建Network::ConnectionImpl,在Network::ConnectionImpl的构造函数里面:
file_event_ = dispatcher_.createFileEvent(

fd(), [this](uint32_t events) -> void { onFileEvent(events); }, Event::FileTriggerType::Edge, Event::FileReadyType::Read | Event::FileReadyType::Write);

对于一个新的socket连接,对于操作系统来讲是一个文件,也即有个文件描述符,当一个socket可读的时候,会触发一个事件,当一个socket可写的时候,可以触发另一个事件,发生事件后,调用onFileEvent。

在ConnectionHandlerImpl::ActiveListener::newConnection函数中,接下来就应该为这个连接创建NetworkFilter了。
config_.filterChainFactory().createNetworkFilterChain(

*new_connection, filter_chain->networkFilterFactories());

上面这段代码,会调用ListenerImpl::createNetworkFilterChain。

里面调用Configuration::FilterChainUtility::buildFilterChain(connection, filter_factories);
bool FilterChainUtility::buildFilterChain(Network::FilterManager& filter_manager, const std::vector<Network::FilterFactoryCb>& factories) 

{

for (const Network::FilterFactoryCb& factory : factories) {

    factory(filter_manager);

}

return filter_manager.initializeReadFilters();



可以看出这里会调用上面生成的callback函数,将ConnectionManagerImpl放到ReadFilter列表中。

七、当有新的数据到来的时候

9.png

当Downstream发送数据到Envoy的时候,socket就处于可读的状态,因而ConnectionImpl::onFileEvent函数会被调用,当事件是Event::FileReadyType::Read的时候,调用ConnectionImpl::onReadReady()。

在ConnectionImpl::onReadReady()函数里面,socket将数据读入缓存。
IoResult result = transport_socket_->doRead(read_buffer_);

然后调用ConnectionImpl::onRead,里面调用filter_manager_.onRead()使用NetworkFilter对于数据进行处理。

FilterManagerImpl::onRead() 会调用FilterManagerImpl::onContinueReading有下面的逻辑。
for (; entry != upstream_filters_.end(); entry++) {

BufferSource::StreamBuffer read_buffer = buffer_source_.getReadBuffer();

if (read_buffer.buffer.length() > 0 || read_buffer.end_stream) {

    FilterStatus status = (*entry)->filter_->onData(read_buffer.buffer, read_buffer.end_stream);

    if (status == FilterStatus::StopIteration) {

        return;

    }

}



对于每一个Filter,都调用onData函数,咱们上面解析过,其中HTTP对应的ReadFilter是ConnectionManagerImpl,因而调用ConnectionManagerImpl::onData函数。

八、对数据进行解析

10.png

ConnectionManagerImpl::onData函数中,首先创建数据解析器。
codec_ = config_.createCodec(read_callbacks_->connection(), data, *this);

调用HttpConnectionManagerConfig::createCodec,对于HTTP1,创建Http::Http1::ServerConnectionImpl。

然后对数据进行解析。
codec_->dispatch(data);

调用ConnectionImpl::dispatch,里面调用ConnectionImpl::dispatchSlice,在这里面对HTTP进行解析。
http_parser_execute(&parser_, &settings_, slice, len);

11.png

解析的参数是settings_,可以看出这里面解析url,然后解析header,结束后调用onHeadersCompleteBase()函数,然后解析正文。

由于路由是根据HTTP头里面的信息来的,因而我们重点看ConnectionImpl::onHeadersCompleteBase(),里面会调用ServerConnectionImpl::onHeadersComplete函数。
active_request_->request_decoder_->decodeHeaders(std::move(headers), false);

ServerConnectionImpl::onHeadersComplete里面调用ConnectionManagerImpl::ActiveStream::decodeHeaders这到了路由策略的重点。
13.png

这里面调用了两个函数,一个是refreshCachedRoute()刷新路由配置,并查找到匹配的路由项Route Entry。

另一个是ConnectionManagerImpl::ActiveStream::decodeHeaders的另一个实现。
decodeHeaders(nullptr, *request_headers_, end_stream);

在这里会通过Route Entry找到后端的集群,并建立连接。

九、路由匹配

我们先来解析refreshCachedRoute():
void ConnectionManagerImpl::ActiveStream::refreshCachedRoute() {

Router::RouteConstSharedPtr route = snapped_route_config_->route(*request_headers_, stream_id_);

request_info_.route_entry_ = route ? route->routeEntry() : nullptr;

cached_route_ = std::move(route);



snapped_route_config_是什么呢?snapped_route_config_的初始化如下。
snapped_route_config_(connection_manager.config_.routeConfigProvider().config())

routeConfigProvider()返回的就是RdsRouteConfigProviderImpl,其config函数返回的就是ConfigImpl,也就是上面我们描述过的层级的数据结构。
14.png

ConfigImpl的route函数如下:
RouteConstSharedPtr route(const Http::HeaderMap& headers, uint64_t random_value) const override {

return route_matcher_->route(headers, random_value);



RouteMatcher的route函数,根据headers.Host()查找virtualhost,然后调用 VirtualHostImpl::getRouteFromEntries。
RouteConstSharedPtr RouteMatcher::route(const Http::HeaderMap& headers, uint64_t random_value) const {

const VirtualHostImpl* virtual_host = findVirtualHost(headers);

if (virtual_host) {

    return virtual_host->getRouteFromEntries(headers, random_value);

} else {

    return nullptr;

}



VirtualHostImpl::getRouteFromEntries函数里面有下面的循环:
for (const RouteEntryImplBaseConstSharedPtr& route : routes_) {

RouteConstSharedPtr route_entry = route->matches(headers, random_value);

if (nullptr != route_entry) {

    return route_entry;

}



对于每一个RouteEntry,看是否匹配。例如常用的有PrefixRouteEntryImpl::matches,看前缀是否一致。
RouteConstSharedPtr PrefixRouteEntryImpl::matches(const Http::HeaderMap& headers,uint64_t random_value) const {

if (RouteEntryImplBase::matchRoute(headers, random_value) &&

StringUtil::startsWith(headers.Path()->value().c_str(), prefix_, case_sensitive_)) {

    return clusterEntry(headers, random_value);

}

return nullptr;

}  

得到匹配的Route Entry后,调用RouteEntryImplBase::clusterEntry获取一个Cluster的名字。对于WeightedCluster,会调用下面的函数。
WeightedClusterUtil::pickCluster(weighted_clusters_, total_cluster_weight_, random_value,true);

在这个函数里面,会根据权重选择一个WeightedClusterEntry返回。

这个时候,我们得到了后面Cluster,也即集群的名称,接下来需要得到集群的具体的IP地址并建立连接。

十、查找集群并建立连接

ConnectionManagerImpl::ActiveStream::decodeHeaders的另一个实现会调用Route.cc里面的Filter::decodeHeaders。
15.png

在Filter::decodeHeaders函数中有以下的实现。
// A route entry matches for the request.

route_entry_ = route_->routeEntry();

Upstream::ThreadLocalCluster* cluster = config_.cm_.get(route_entry_->clusterName());

通过上一节的查找,WeightedClusterEntry里面有cluster的名称,接下来就是从cluster manager里面根据cluster名称查找到cluster的信息。

cluster manager就是我们最初创建的ClusterManagerImpl。
ThreadLocalCluster* ClusterManagerImpl::get(const std::string& cluster) {

ThreadLocalClusterManagerImpl& cluster_manager = tls_->getTyped<ThreadLocalClusterManagerImpl>();

auto entry = cluster_manager.thread_local_clusters_.find(cluster);

if (entry != cluster_manager.thread_local_clusters_.end()) {

    return entry->second.get();

} else {

return nullptr;

}



返回ClusterInfoImpl,是cluster的信息。
cluster_ = cluster->info();

找到Cluster后,开始建立连接。
// Fetch a connection pool for the upstream cluster.

Http::ConnectionPool::Instance* conn_pool = getConnPool();

route.cc的Filter::getConnPool()里面调用以下函数。
config_.cm_.httpConnPoolForCluster(route_entry_->clusterName(), route_entry_->priority(), protocol, this);

ClusterManagerImpl::httpConnPoolForCluster调用ClusterManagerImpl::ThreadLocalClusterManagerImpl::ClusterEntry::connPool函数。

在这个函数里面,HostConstSharedPtr host = lb_->chooseHost(context);通过负载均衡,在一个cluster里面选择一个后端的机器建立连接。

原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/BL75H_8kSt0BVevawPYpRQ

0 个评论

要回复文章请先登录注册