云原生之深入解析Linkerd Service Mesh的功能和使用

一、简介

Linkerd 是 Kubernetes 的一个完全开源的服务网格实现，它通过为你提供运行时调试、可观测性、可靠性和安全性，使运行服务更轻松、更安全，所有这些都不需要对代码进行任何更改。
Linkerd 通过在每个服务实例旁边安装一组超轻、透明的代理来工作，这些代理会自动处理进出服务的所有流量。由于它们是透明的，这些代理充当高度仪表化的进程外网络堆栈，向控制平面发送遥测数据并从控制平面接收控制信号。这种设计允许 Linkerd 测量和操纵进出服务的流量，而不会引入过多的延迟。为了尽可能小、轻和安全，Linkerd 的代理采用 Rust 编写。

二、功能

自动 mTLS：Linkerd 自动为网格应用程序之间的所有通信启用相互传输层安全性 (TLS)。
自动代理注入：Linkerd 会自动将数据平面代理注入到基于 annotations 的 pod 中。
容器网络接口插件：Linkerd 能被配置去运行一个 CNI 插件，该插件自动重写每个 pod 的 iptables 规则。
仪表板和 Grafana：Linkerd 提供了一个 Web 仪表板，以及预配置的 Grafana 仪表板。
分布式追踪：您可以在 Linkerd 中启用分布式跟踪支持。
故障注入：Linkerd 提供了以编程方式将故障注入服务的机制。
高可用性：Linkerd 控制平面可以在高可用性 (HA) 模式下运行。
HTTP、HTTP/2 和 gRPC 代理：Linkerd 将自动为 HTTP、HTTP/2 和 gRPC 连接启用高级功能（包括指标、负载平衡、重试等）。
Ingress：Linkerd 可以与您选择的 ingress controller 一起工作。
负载均衡：Linkerd 会自动对 HTTP、HTTP/2 和 gRPC 连接上所有目标端点的请求进行负载平衡。
多集群通信：Linkerd 可以透明且安全地连接运行在不同集群中的服务。
重试和超时：Linkerd 可以执行特定于服务的重试和超时。
服务配置文件：Linkerd 的服务配置文件支持每条路由指标以及重试和超时。
TCP 代理和协议检测：Linkerd 能够代理所有 TCP 流量，包括 TLS 连接、WebSockets 和 HTTP 隧道。
遥测和监控：Linkerd 会自动从所有通过它发送流量的服务收集指标。
流量拆分(金丝雀、蓝/绿部署)：Linkerd 可以动态地将一部分流量发送到不同的服务。

三、安装

可以通过在本地安装一个 Linkerd 的 CLI 命令行工具，通过该 CLI 可以将 Linkerd 的控制平面安装到 Kubernetes 集群上。因此，首先需要在本地运行 kubectl 命令，确保可以访问一个可用的 Kubernetes 集群，如果没有集群，可以使用 KinD 在本地快速创建一个。

$ kubectl version --short
Client Version: v1.23.5
Server Version: v1.22.8

可以使用下面的命令在本地安装 Linkerd 的 CLI 工具：

$ curl --proto '=https' --tlsv1.2 -sSfL https://run.linkerd.io/install | sh

如果是 Mac 系统，同样还可以使用 Homebrew 工具一键安装：

$ brew install linkerd

同样直接前往 Linkerd Release 页面下载安装即可。安装后使用下面的命令可以验证 CLI 工具是否安装成功：

$ linkerd  version
Client version: stable-2.11.1
Server version: unavailable

正常可以看到 CLI 的版本信息，但是会出现 Server version: unavailable 信息，这是因为还没有在 Kubernetes 集群上安装控制平面造成的，因此接下来就来安装 Server 端。Kubernetes 集群可以通过多种不同的方式进行配置，在安装 Linkerd 控制平面之前，需要检查并验证所有配置是否正确，要检查集群是否已准备好安装 Linkerd，可以执行下面的命令：

$ linkerd check --pre
Linkerd core checks
===================

kubernetes-api
--------------
√ can initialize the client
√ can query the Kubernetes API

kubernetes-version
------------------
√ is running the minimum Kubernetes API version
√ is running the minimum kubectl version

pre-kubernetes-setup
--------------------
√ control plane namespace does not already exist
√ can create non-namespaced resources
√ can create ServiceAccounts
√ can create Services
√ can create Deployments
√ can create CronJobs
√ can create ConfigMaps
√ can create Secrets
√ can read Secrets
√ can read extension-apiserver-authentication configmap
√ no clock skew detected

linkerd-version
---------------
√ can determine the latest version
‼ cli is up-to-date
    is running version 2.11.1 but the latest stable version is 2.11.4
    see https://linkerd.io/2.11/checks/#l5d-version-cli for hints

Status check results are √

如果一切检查都 OK 则可以开始安装 Linkerd 的控制平面，直接执行下面的命令即可一键安装：

$ linkerd install | kubectl apply -f -

在此命令中，linkerd install 会生成一个 Kubernetes 资源清单文件，其中包含所有必要的控制平面资源，然后使用 kubectl apply 命令即可将其安装到 Kubernetes 集群中。可以看到会将 Linkerd 控制面安装到一个名为 linkerd 的命名空间之下，安装完成后会有如下几个 Pod 运行：

$ kubectl get pods -n linkerd
NAME                                      READY   STATUS    RESTARTS       AGE
linkerd-destination-79d6fc496f-dcgfx      4/4     Running   0              166m
linkerd-identity-6b78ff444f-jwp47         2/2     Running   0              166m
linkerd-proxy-injector-86f7f649dc-v576m   2/2     Running   0              166m

安装完成后通过运行以下命令等待控制平面准备就绪，并可以验证安装结果是否正常：

$ linkerd check

Linkerd core checks
===================

kubernetes-api
--------------
√ can initialize the client
√ can query the Kubernetes API

kubernetes-version
------------------
√ is running the minimum Kubernetes API version
√ is running the minimum kubectl version

linkerd-existence
-----------------
√ 'linkerd-config' config map exists
√ heartbeat ServiceAccount exist
√ control plane replica sets are ready
√ no unschedulable pods
√ control plane pods are ready
√ cluster networks contains all node podCIDRs

linkerd-config
--------------
√ control plane Namespace exists
√ control plane ClusterRoles exist
√ control plane ClusterRoleBindings exist
√ control plane ServiceAccounts exist
√ control plane CustomResourceDefinitions exist
√ control plane MutatingWebhookConfigurations exist
√ control plane ValidatingWebhookConfigurations exist

linkerd-identity
----------------
√ certificate config is valid
√ trust anchors are using supported crypto algorithm
√ trust anchors are within their validity period
√ trust anchors are valid for at least 60 days
√ issuer cert is using supported crypto algorithm
√ issuer cert is within its validity period
√ issuer cert is valid for at least 60 days
√ issuer cert is issued by the trust anchor

linkerd-webhooks-and-apisvc-tls
-------------------------------
√ proxy-injector webhook has valid cert
√ proxy-injector cert is valid for at least 60 days
√ sp-validator webhook has valid cert
√ sp-validator cert is valid for at least 60 days
√ policy-validator webhook has valid cert
√ policy-validator cert is valid for at least 60 days

linkerd-version
---------------
√ can determine the latest version
‼ cli is up-to-date
    is running version 2.11.1 but the latest stable version is 2.11.4
    see https://linkerd.io/2.11/checks/#l5d-version-cli for hints

control-plane-version
---------------------
√ can retrieve the control plane version
‼ control plane is up-to-date
    is running version 2.11.1 but the latest stable version is 2.11.4
    see https://linkerd.io/2.11/checks/#l5d-version-control for hints
√ control plane and cli versions match

linkerd-control-plane-proxy
---------------------------
√ control plane proxies are healthy
‼ control plane proxies are up-to-date
    some proxies are not running the current version:
        * linkerd-destination-79d6fc496f-dcgfx (stable-2.11.1)
        * linkerd-identity-6b78ff444f-jwp47 (stable-2.11.1)
        * linkerd-proxy-injector-86f7f649dc-v576m (stable-2.11.1)
    see https://linkerd.io/2.11/checks/#l5d-cp-proxy-version for hints
√ control plane proxies and cli versions match

Status check results are √

当出现上面的 Status check results are √ 信息后表示 Linkerd 的控制平面安装成功。除了使用 CLI 工具的方式安装控制平面之外，也可以通过 Helm Chart 的方式来安装，如下所示：

$ helm repo add linkerd https://helm.linkerd.io/stable
# set expiry date one year from now, in Mac:
$ exp=$(date -v+8760H +"%Y-%m-%dT%H:%M:%SZ")
# in Linux:
$ exp=$(date -d '+8760 hour' +"%Y-%m-%dT%H:%M:%SZ")

$ helm install linkerd2 \
  --set-file identityTrustAnchorsPEM=ca.crt \
  --set-file identity.issuer.tls.crtPEM=issuer.crt \
  --set-file identity.issuer.tls.keyPEM=issuer.key \
  --set identity.issuer.crtExpiry=$exp \
  linkerd/linkerd2

此外该 chart 包含一个 values-ha.yaml 文件，它覆盖了一些默认值，以便在高可用性场景下进行设置，类似于 linkerd install 中的 --ha 选项，可以通过获取 chart 文件来获得 values-ha.yaml：

$ helm fetch --untar linkerd/linkerd2

然后使用 -f flag 提供覆盖文件，例如：

## see above on how to set $exp
helm install linkerd2 \
  --set-file identityTrustAnchorsPEM=ca.crt \
  --set-file identity.issuer.tls.crtPEM=issuer.crt \
  --set-file identity.issuer.tls.keyPEM=issuer.key \
  --set identity.issuer.crtExpiry=$exp \
  -f linkerd2/values-ha.yaml \
  linkerd/linkerd2

采用哪种方式进行安装均可，到这里就完成了 Linkerd 的安装，重新执行 linkerd version 命令就可以看到 Server 端版本信息：

$ linkerd version
Client version: stable-2.11.1
Server version: stable-2.11.1

四、示例

接下来安装一个简单的示例应用 Emojivoto，该应用是一个简单的独立 Kubernetes 应用程序，它混合使用 gRPC 和 HTTP 调用，允许用户对他们最喜欢的表情符号进行投票。通过运行以下命令可以将 Emojivoto 安装到 emojivoto 命名空间中：

$ curl -fsL https://run.linkerd.io/emojivoto.yml | kubectl apply -f -
namespace/emojivoto created
serviceaccount/emoji created
serviceaccount/voting created
serviceaccount/web created
service/emoji-svc created
service/voting-svc created
service/web-svc created
deployment.apps/emoji created
deployment.apps/vote-bot created
deployment.apps/voting created
deployment.apps/web created

该应用下可以看到一共包含 4 个 Pod 服务：

$ kubectl get pods -n emojivoto
NAME                        READY   STATUS    RESTARTS   AGE
emoji-66ccdb4d86-6vqvt      1/1     Running   0          91s
vote-bot-69754c864f-k26fb   1/1     Running   0          91s
voting-f999bd4d7-k44nb      1/1     Running   0          91s
web-79469b946f-bz295        1/1     Running   0          91s
$ kubectl get svc -n emojivoto
NAME         TYPE        CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP   PORT(S)             AGE
emoji-svc    ClusterIP   10.111.7.125     <none>        8080/TCP,8801/TCP   2m49s
voting-svc   ClusterIP   10.105.192.118   <none>        8080/TCP,8801/TCP   2m48s
web-svc      ClusterIP   10.111.236.171   <none>        80/TCP              2m48s

可以通过 port-forward 来暴露 web-svc 服务，然后便可在浏览器中访问该应用：

$ kubectl -n emojivoto port-forward svc/web-svc 8080:80

现在可以在浏览器通过 http://localhost:8080 访问 Emojivoto 应用：

在这里插入图片描述

可以选择页面中喜欢的表情进行投票，但是选择某些表情后会出现一些错误，比如当点击甜甜圈表情符号的时候会得到一个 404 页面：

在这里插入图片描述

不过不用担心，这是应用中故意留下的错误，为的是后面使用 Linkerd 来识别该问题。接下来可以将上面的示例应用加入到 Service Mesh 中来，向其添加 Linkerd 的数据平面代理，直接运行下面的命令即可将 Emojivoto 应用网格化：

$ kubectl get -n emojivoto deploy -o yaml \
 | linkerd inject - \
 | kubectl apply -f -

deployment "emoji" injected
deployment "vote-bot" injected
deployment "voting" injected
deployment "web" injected

deployment.apps/emoji configured
deployment.apps/vote-bot configured
deployment.apps/voting configured
deployment.apps/web configured

上面的命令首先获取在 emojivoto 命名空间中运行的所有 Deployments，然后通过 linkerd inject 运行它们的清单，然后将其重新应用到集群。注意 linkerd inject 命令只是在 Pod 规范中添加一个 linkerd.io/inject: enabled 的注解，并不会直接注入一个 Sidecar 容器，该注解即可指示 Linkerd 在创建 Pod 时将代理注入到其中，所以执行上面的命令后应用 Pod 中会新增一个 sidecar 的代理容器。

$ kubectl get pods -n emojivoto
NAME                        READY   STATUS    RESTARTS   AGE
emoji-696d9d8f95-8wrmg      2/2     Running   0          34m
vote-bot-6d7677bb68-c98kb   2/2     Running   0          34m
voting-ff4c54b8d-rdtmk      2/2     Running   0          34m
web-5f86686c4d-qh5bz        2/2     Running   0          34m

可以看到每个 Pod 现在都有 2 个容器，相较于之前多了一个 Linkerd 的 sidecar 代理容器：

在这里插入图片描述

当应用更新完成后，就成功将应用引入到 Linkerd 的网格服务中来了，新增的代理容器组成了数据平面，也可以通过下面的命令检查数据平面状态：

$ linkerd -n emojivoto check --proxy
Linkerd core checks
===================

kubernetes-api
--------------
√ can initialize the client
√ can query the Kubernetes API

kubernetes-version
------------------
√ is running the minimum Kubernetes API version
√ is running the minimum kubectl version

linkerd-existence
-----------------
√ 'linkerd-config' config map exists
√ heartbeat ServiceAccount exist
√ control plane replica sets are ready
√ no unschedulable pods
√ control plane pods are ready
√ cluster networks contains all node podCIDRs

linkerd-config
--------------
√ control plane Namespace exists
√ control plane ClusterRoles exist
√ control plane ClusterRoleBindings exist
√ control plane ServiceAccounts exist
√ control plane CustomResourceDefinitions exist
√ control plane MutatingWebhookConfigurations exist
√ control plane ValidatingWebhookConfigurations exist

linkerd-identity
----------------
√ certificate config is valid
√ trust anchors are using supported crypto algorithm
√ trust anchors are within their validity period
√ trust anchors are valid for at least 60 days
√ issuer cert is using supported crypto algorithm
√ issuer cert is within its validity period
√ issuer cert is valid for at least 60 days
√ issuer cert is issued by the trust anchor

linkerd-webhooks-and-apisvc-tls
-------------------------------
√ proxy-injector webhook has valid cert
√ proxy-injector cert is valid for at least 60 days
√ sp-validator webhook has valid cert
√ sp-validator cert is valid for at least 60 days
√ policy-validator webhook has valid cert
√ policy-validator cert is valid for at least 60 days

linkerd-identity-data-plane
---------------------------
√ data plane proxies certificate match CA

linkerd-version
---------------
√ can determine the latest version
‼ cli is up-to-date
    is running version 2.11.1 but the latest stable version is 2.11.4
    see https://linkerd.io/2.11/checks/#l5d-version-cli for hints

linkerd-control-plane-proxy
---------------------------
√ control plane proxies are healthy
‼ control plane proxies are up-to-date
    some proxies are not running the current version:
        * linkerd-destination-79d6fc496f-dcgfx (stable-2.11.1)
        * linkerd-identity-6b78ff444f-jwp47 (stable-2.11.1)
        * linkerd-proxy-injector-86f7f649dc-v576m (stable-2.11.1)
    see https://linkerd.io/2.11/checks/#l5d-cp-proxy-version for hints
√ control plane proxies and cli versions match

linkerd-data-plane
------------------
√ data plane namespace exists
√ data plane proxies are ready
‼ data plane is up-to-date
    some proxies are not running the current version:
        * emoji-696d9d8f95-8wrmg (stable-2.11.1)
        * vote-bot-6d7677bb68-c98kb (stable-2.11.1)
        * voting-ff4c54b8d-rdtmk (stable-2.11.1)
        * web-5f86686c4d-qh5bz (stable-2.11.1)
    see https://linkerd.io/2.11/checks/#l5d-data-plane-version for hints
√ data plane and cli versions match
√ data plane pod labels are configured correctly
√ data plane service labels are configured correctly
√ data plane service annotations are configured correctly
√ opaque ports are properly annotated

Status check results are √

当然，还是可以通过 http://localhost:8080 访问应用，当然在使用上和之前没什么区别，可以通过 Linkerd 去查看应用实际上做了哪些事情，但是需要去单独安装一个插件，由于 Linkerd 的核心控制平面非常轻量级，因此 Linkerd 附带了一些插件，这些插件为 Linkerd 添加了一些非关键但通常有用的功能，包括各种仪表板，比如可以安装一个 viz 插件，Linkerd-Viz 插件包含 Linkerd 的可观察性和可视化组件。安装命令如下所示：

$ linkerd viz install | kubectl apply -f -

上面的命令会创建一个名为 linkerd-viz 的命名空间，会在该命名空间中安装监控相关的应用，比如 Prometheus、Grafana 等：

$ kubectl get pods -n linkerd-viz
NAME                            READY   STATUS    RESTARTS   AGE
grafana-8d54d5f6d-wwtdz         2/2     Running   0          3h1m
metrics-api-6c59967bf4-pjwdq    2/2     Running   0          4h22m
prometheus-7bbc4d8c5b-5rc8r     2/2     Running   0          4h22m
tap-599c774dfb-m2kqz            2/2     Running   0          4h22m
tap-injector-748d54b7bc-jvshs   2/2     Running   0          4h22m
web-db97ff489-5599v             2/2     Running   0          4h22m

安装完成后，可以使用下面的命令打开一个 dashboard 页面：

$ linkerd viz dashboard &

当 viz 插件部署完成后，执行上面的命令后会自动在浏览器中打开一个 Linkerd 的可观察性的 Dashboard。此外也可以通过 Ingress 来暴露 viz 服务，创建如下所示的资源对象：

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: web-ingress
  namespace: linkerd-viz
  annotations:
    nginx.ingress.kubernetes.io/upstream-vhost: $service_name.$namespace.svc.cluster.local:8084
    nginx.ingress.kubernetes.io/configuration-snippet: |
      proxy_set_header Origin "";
      proxy_hide_header l5d-remote-ip;
      proxy_hide_header l5d-server-id;
spec:
  ingressClassName: nginx
  rules:
    - host: linkerd.k8s.local
      http:
        paths:
          - path: /
            pathType: Prefix
            backend:
              service:
                name: web
                port:
                  number: 8084