深入解读Service Mesh的数据面Envoy

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

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

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。

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。

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/envoy/v1.8.0/api-v2/http_routes/http_routes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

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 = ; 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

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, , -, 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

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

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

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

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() >  || 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

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);

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。

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。

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。

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。

最后。

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刘超 网易云技术架构部总监

长期致力于云计算开源技术的分享，布道和落地，将网易内部最佳实践服务客户与行业。

技术分享：出版《Lucene应用开发解密》，极客时间专栏《趣谈网络协议》，个人公众号《刘超的通俗云计算》文章Kubernetes及微服务系列18篇，Mesos系列30篇，KVM系列25篇，Openvswitch系列31篇，OpenStack系列24篇，Hadoop系列10篇。公众号文章《终于有人把云计算，大数据，人工智能讲明白了》累积10万+

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