在Kubernetes中实现gRPC流量负载均衡

作者：Slagga 2023-10-27 12:36:37

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后端在尝试将gRPC服务部署到Kubernetes集群中时，一些用户（包括我）面临的挑战之一是实现适当的负载均衡。

在尝试将gRPC服务部署到Kubernetes集群中时，一些用户（包括我）面临的挑战之一是实现适当的负载均衡。在深入了解如何平衡gRPC的方式之前，我们首先需要回答一个问题，即为什么需要平衡流量，如果Kubernetes已经完成了这项工作。

本文关注于Kubernetes和Golang。

为什么在Kubernetes中无法适当地平衡gRPC流量？

之所以难以平衡gRPC流量的主要原因是人们将gRPC视为HTTP，这就是问题的根源。设计上它们是不同的，虽然HTTP为每个请求创建和关闭连接，但gRPC使用HTTP2协议，在长时间的TCP连接上运行，使得平衡更加困难，因为多个请求通过同一个连接进行多路复用。然而，这并不是配置gRPC服务在Kubernetes中出现平衡问题的唯一原因，以下是一些常见的错误配置：

错误的gRPC客户端配置
错误的Kubernetes服务配置

错误的gRPC客户端配置

设置gRPC客户端时常见的情况是选择默认配置，这对于1-1连接类型完全有效，但对于生产环境来说并不如我们所希望的有效。这背后的原因是因为默认的gRPC客户端提供了使用简单的IP/DNS记录连接的可能性，这只会创建一个与目标服务的连接。

因此，需要为与多个服务器建立连接进行不同的设置，将连接类型从1-1转换为1-N。

默认设置：

func main(){
  conn, err := grpc.Dial("my-domain:50051", grpc.WithInsecure())
  if err != nil {
    log.Fatalf("error connecting with gRPC server: %v", err)
  }
  
  defer conn.Close()
  cli := test.NewTestServiceClient(conn)
  rs, err := cli.DoSomething(context.Background(), ...)
  .
  .
  .
}

新的设置：

func main(){
  conn, err := grpc.Dial("my-domain:50051", grpc.WithInsecure())
  if err != nil {
    log.Fatalf("error connecting with gRPC server: %v", err)
  }
  
  defer conn.Close()
  cli := test.NewTestServiceClient(conn)
  rs, err := cli.DoSomething(context.Background(), ...)
  .
  .
  .
}

这里有两个重要的更改需要注意：

地址：最终解析的地址将类似于 dns:///my-domain:50051，之所以使用这种格式是因为Dial函数允许我们使用由Scheme://Authority/Endpoint组成的目标，而在我们的情况下，我跳过了Authority。因此，首先我添加了dns作为方案，因为我希望解析一个域并持续观察其更改，解析器选项有透传（默认）、dns和手动，更多详情请参阅这里。
负载均衡器选项：如果我们的客户端现在连接到多个服务器，那么我们的gRPC客户端可以根据所选择的负载均衡算法平衡请求。

总结一下，我们的gRPC客户端现在能够创建不同的连接，前提是域名解析为多个A或AAAA记录，而且不仅如此，现在还能够将请求均匀地分配到不同的服务器。

现在让我们看看如何让它与Kubernetes一起工作的缺失部分。

错误的Kubernetes服务配置

在Kubernetes中创建服务非常简单，我们只需要定义服务名称、端口和选择器，以便服务可以动态地将Pod分组并自动平衡请求，如下所示：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-service
spec:
  selector:
    app: my-app
  ports:
    - name: grpc
      protocol: TCP
      port: 50051
      targetPort: 50051

那么，对于先前的设置，问题在于默认的Kubernetes服务只创建了一个DNS记录，链接到单个IP。因此，当您执行类似 nslookup my-service.{namespace}.svc.cluster.local 的操作时，返回的是一个单个IP，这使得在常见的gRPC实现中连接图看起来像这样：

例如，使用默认的Kubernetes服务的连接图：

绿线表示与客户端的活动连接，黄色表示未活动的Pod。客户端与Kubernetes服务创建了持久连接，同时服务也与其中一个Pod创建了连接，但这并不意味着服务与其余的Pod没有连接。

让我们使用一个无头服务来解决这个问题：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-service
spec:
 clusterIP: None **this is the key***
 selector:
    app: my-app
  ports:
    - name: grpc
      protocol: TCP
      port: 50051
      targetPort: 50051

创建了无头服务后，nslookup看起来有些不同，现在它返回与之关联的记录（将Pod的IP分组到服务中），从而使gRPC客户端更好地了解需要连接的服务器数量。

现在您已经看到了gRPC客户端的配置，您必须知道为什么Kubernetes服务返回与一组Pod关联的IP非常重要。原因是客户端可以看到所有需要建立连接的服务器。在这一点上，您可能已经意识到了一个注意事项，即平衡的责任现在在客户端部分，而不在Kubernetes的一侧。我们现在需要从Kubernetes那里得到的主要任务是保持与服务关联的Pod列表的最新状态。

例如，在具有无头Kubernetes服务的连接图中，可以看到连接发生了一些变化，现在我们不通过Kubernetes服务来访问Pod，而是使用Kubernetes服务来检索与域名关联的Pod列表，然后直接与Pod建立连接。但是不要因为直接连接到Pod而感到惊慌，因为我们在客户端中设置了DNS解析器类型，该解析器将持续监视与无头服务的更改，并将与可用的Pod保持最新的连接。

为什么不使用服务网格？

如果可以的话，请使用服务网格，因为在服务网格中，所有这些设置都是透明的，而且最重要的是它是与编程语言无关的。关键区别在于服务网格利用了Sidecar模式和控制平面来编排入站和出站流量，还可以看到所有网络和流量类型（HTTP、TCP等），从而能够正确平衡请求。简而言之，如果您不使用服务网格，那么您需要直接从每个客户端连接到多个服务器，或者连接到一个L7代理来帮助平衡请求。

附加信息

尽管先前的设置可以工作，但我在尝试在alpine Linux映像中进行Pod轮换或扩展时重新平衡连接时遇到了问题。经过一些研究，我意识到我并不是唯一遇到这种问题的人，可以查看这里和这里的一些相关的GitHub问题。这就是为什么我决定创建自己的解析器的原因，您可以在这里查看我创建的自定义解析器，我创建的自定义解析器非常基础，但现在可以正常工作，gRPC客户端现在可以再次监听域名的更改，我还为该库添加了一个可配置的监听器，它每隔一段时间查找域名并更新提供给gRPC连接管理器的IP集合，如果您想贡献，欢迎加入。

另一方面，因为我想深入了解，所以我决定创建自己的gRPC代理（我也学到了很多东西），利用了gRPC的http2基础，我可以创建一个代理，而无需更改proto负载消息或甚至不知道proto文件的定义（还使用了前面提到的自定义解析器）。

最后，我想说的是，如果您的gRPC客户端需要与许多服务器连接，我强烈建议使用代理作为平衡的机制，因为将这个机制放在主应用程序中将增加复杂性和资源消耗，尝试保持许多打开的连接并重新平衡它们，想象一下，如果最终的平衡在应用程序中，您将有一个与N个服务器连接的实例（1-N），但是使用代理，您将有一个与M个代理连接到N个服务器的实例（1-M-N），其中M<N，因为每个代理实例可以处理与不同服务器的许多连接。

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