Istio 的流量路由规则可以很容易的控制服务之间的流量和 API 调用。Istio 简化了服务级别属性的配置,比如熔断器、超时和重试,并且能轻松的设置重要的任务,如 A/B 测试、金丝雀发布、基于流量百分比切分的概率发布等。它还提供了开箱即用的故障恢复特性,有助于增强应用的健壮性,从而更好地应对被依赖的服务或网络发生故障的情况。

Istio 的流量管理模型源于和服务一起部署的 Envoy 代理(Envoy 是在 Istio 里使用的高性能代理,用于为所有服务网格里的服务调度进出的流量)。网格内服务发送和接收的所有流量(data plane流量,数据平面是网格的一部分,直接控制工作负载实例之间的通信。 Istio 的数据平面使用智能Envoy 代理部署成 sidecar 去调节和控制服务网格中发送和接受的流量。)都经由 Envoy 代理,这让控制网格内的流量变得异常简单,而且不需要对服务做任何的更改。

流量管理介绍

为了在网格中导流,Istio 需要知道所有的 endpoint 在哪和属于哪个服务。为了定位到service registry(服务注册中心),Istio 会连接到一个服务发现系统。例如,如果在 Kubernetes 集群上安装了 Istio,那么它将自动检测该集群中的服务和 endpoint。

Istio 维护了一个内部服务注册表 (service registry),它包含在服务网格中运行的一组服务及其相应的服务 endpoints。Istio 使用服务注册表生成 Envoy配置。

Istio 不提供服务发现,尽管大多数服务都是通过 Pilot adapter 自动加入到服务注册表里的,而且这反映了底层平台(Kubernetes、Consul、plain DNS)的已发现的服务。还有就是,可以使用 ServiceEntry配置手动进行注册。

使用此服务注册中心,Envoy 代理可以将流量定向到相关服务。大多数基于微服务的应用程序,每个服务的工作负载都有多个实例来处理流量,称为负载均衡池。默认情况下,Envoy 代理基于轮询调度模型在服务的负载均衡池内分发流量,按顺序将请求发送给池中每个成员,一旦所有服务实例均接收过一次请求后,重新回到第一个池成员。

Istio 基本的服务发现和负载均衡能力提供了一个可用的服务网格,但它能做到的远比这多的多。在许多情况下,可能希望对网格的流量情况进行更细粒度的控制。作为 A/B 测试的一部分,可能想将特定百分比的流量定向到新版本的服务,或者为特定的服务实例子集应用不同的负载均衡策略。可能还想对进出网格的流量应用特殊的规则,或者将网格的外部依赖项添加到服务注册中心。通过使用 Istio 的流量管理 API 将流量配置添加到 Istio,就可以完成所有这些甚至更多的工作。

和其他 Istio 配置一样,这些 API 也使用 Kubernetes 的自定义资源定义(CRDs)来声明,可以像示例中看到的那样使用 YAML 进行配置。

虚拟服务(VirtualService)

虚拟服务(Virtual Service)和目标规则(Destination Rule)是 Istio 流量路由功能的关键拼图。虚拟服务配置如何在服务网格内将请求路由到服务,这基于 Istio 和平台提供的基本的连通性和服务发现能力。每个虚拟服务包含一组路由规则,Istio 按顺序评估它们,Istio 将每个给定的请求匹配到虚拟服务指定的实际目标地址。网格可以有多个虚拟服务,也可以没有,取决于使用场景。

为什么使用虚拟服务?

虚拟服务在增强 Istio 流量管理的灵活性和有效性方面,发挥着至关重要的作用,通过对客户端请求的目标地址与真实响应请求的目标工作负载进行解耦来实现。虚拟服务同时提供了丰富的方式,为发送至这些工作负载的流量指定不同的路由规则。

为什么这如此有用?就像在介绍中所说,如果没有虚拟服务,Envoy 会在所有的服务实例中使用轮询的负载均衡策略分发请求。可以对工作负载的了解来改善这种行为。例如,有些可能代表不同的版本。这在 A/B 测试中可能有用,比如可能希望在其中配置基于不同服务版本的流量百分比路由,或指引从内部用户到特定实例集的流量。

使用虚拟服务,可以为一个或多个主机名指定流量行为。在虚拟服务中使用路由规则,告诉 Envoy 如何发送虚拟服务的流量到适当的目标。路由目标地址可以是同一服务的不同版本,也可以是完全不同的服务。

一个典型的用例是将流量发送到被指定为服务子集的服务的不同版本。客户端将虚拟服务视为一个单一实体,将请求发送至虚拟服务主机,然后 Envoy 根据虚拟服务规则把流量路由到不同的版本。例如,“20%的调用转到新版本”或“将这些用户的调用转到版本 2”。这允许创建一个金丝雀发布,逐步增加发送到新版本服务的流量百分比。流量路由完全独立于实例部署,这意味着实现新版本服务的实例可以根据流量的负载来伸缩,完全不影响流量路由。相比之下,像 Kubernetes 这样的容器编排平台只支持基于实例缩放的流量分发,这会让情况变得复杂。可以在使用 Istio 进行金丝雀部署的文章里阅读到更多用虚拟服务实现金丝雀部署的内容。

虚拟服务可以:

  • 通过单个虚拟服务处理多个应用程序服务。如果网格使用 Kubernetes,可以配置一个虚拟服务处理特定命名空间中的所有服务。映射单一的虚拟服务到多个“真实”服务特别有用,可以在不需要客户适应转换的情况下,将单体应用转换为微服务构建的复合应用系统。路由规则可以指定为“对这些 monolith.com 的 URI 调用转到microservice A”等等。
  • 和网关整合并配置流量规则来控制出入流量。

在某些情况下,还需要配置目标规则来使用这些特性,因为这是指定服务子集的地方。在一个单独的对象中指定服务子集和其它特定目标策略,有利于在虚拟服务之间更简洁地重用这些规则。

虚拟服务示例

下面的虚拟服务根据请求是否来自特定的用户,把它们路由到服务的不同版本。

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apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: VirtualService
metadata:
name: reviews
spec:
hosts:
- reviews
http:
- match:
- headers:
end-user:
exact: jason
route:
- destination:
host: reviews
subset: v2
- route:
- destination:
host: reviews
subset: v3

hosts 字段

使用 hosts 字段列举虚拟服务的主机——即用户指定的目标或是路由规则设定的目标。这是客户端向服务发送请求时使用的一个或多个地址。

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hosts:
- reviews

虚拟服务主机名可以是 IP 地址、DNS 名称,或者依赖于平台的一个简称(例如 Kubernetes 服务的短名称),隐式或显式地指向一个完全限定域名(FQDN)。也可以使用通配符(“*”)前缀,创建一组匹配所有服务的路由规则。虚拟服务的 hosts 字段实际上不必是 Istio 服务注册的一部分,它只是虚拟的目标地址。这可以为没有路由到网格内部的虚拟主机建模。

路由规则

http 字段包含了虚拟服务的路由规则,用来描述匹配条件和路由行为,它们把 HTTP/1.1、HTTP2 和 gRPC 等流量发送到 hosts 字段指定的目标(也可以用 tcptls 片段为 TCP 和未终止的 TLS 流量设置路由规则)。一个路由规则包含了指定的请求要流向哪个目标地址,具有 0 或多个匹配条件,取决于使用场景。

匹配条件

示例中的第一个路由规则有一个条件,因此以 match 字段开始。此路由应用于来自 ”jason“ 用户的所有请求,所以使用 headersend-userexact 字段选择适当的请求。

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- match:
- headers:
end-user:
exact: jason
Destination

route 部分的 destination 字段指定了符合此条件的流量的实际目标地址。与虚拟服务的 hosts 不同,destination 的 host 必须是存在于 Istio 服务注册中心的实际目标地址,否则 Envoy 不知道该将请求发送到哪里。可以是一个有代理的服务网格,或者是一个通过服务入口被添加进来的非网格服务。运行在 Kubernetes 环境中,host 名为一个 Kubernetes 服务名:

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route:
- destination:
host: reviews
subset: v2

请注意,为了简单,我们使用 Kubernetes 的短名称设置 destination 的 host。在评估此规则时,Istio 会添加一个基于虚拟服务命名空间的域后缀,这个虚拟服务包含要获取主机的完全限定名的路由规则。在我们的示例中使用短名称也意味着可以复制并在任何喜欢的命名空间中尝试它们。

destination 片段还指定了 Kubernetes 服务的子集,将符合此规则条件的请求转入其中。

路由规则优先级

路由规则按从上到下的顺序选择,虚拟服务中定义的第一条规则有最高优先级。本示例中,不满足第一个路由规则的流量均流向一个默认的目标,该目标在第二条规则中指定。因此,第二条规则没有 match 条件,直接将流量导向 v3 子集。

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- route:
- destination:
host: reviews
subset: v3

我们建议提供一个默认的“无条件”或基于权重的规则(见下文)作为每一个虚拟服务的最后一条规则,如案例所示,从而确保流经虚拟服务的流量至少能够匹配一条路由规则。

路由规则扩展

正如上面所看到的,路由规则是将特定流量子集路由到指定目标地址的强大工具。可以在流量端口、header 字段、URI 等内容上设置匹配条件。例如,这个虚拟服务让用户发送请求到两个独立的服务:ratings 和 reviews,就好像它们是 http://bookinfo.com/ 这个更大的虚拟服务的一部分。虚拟服务规则根据请求的 URI 和指向适当服务的请求匹配流量。

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apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: VirtualService
metadata:
name: bookinfo
spec:
hosts:
- bookinfo.com
http:
- match:
- uri:
prefix: /reviews
route:
- destination:
host: reviews
- match:
- uri:
prefix: /ratings
route:
- destination:
host: ratings
...........

http:
- match:
sourceLabels:
app: reviews
route:
........

有些匹配条件可以使用精确的值,如前缀或正则。

可以使用 AND 向同一个 match 块添加多个匹配条件,或者使用 OR 向同一个规则添加多个 match 块。对于任何给定的虚拟服务也可以有多个路由规则。这可以在单个虚拟服务中使路由条件变得随心所愿的复杂或简单。匹配条件字段和备选值的完整列表可以在 HTTPMatchRequest 参考中找到。

另外,使用匹配条件可以按百分比”权重“分发请求。这在 A/B 测试和金丝雀发布中非常有用

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spec:
hosts:
- reviews
http:
- route:
- destination:
host: reviews
subset: v1
weight: 75
- destination:
host: reviews
subset: v2
weight: 25

也可以使用路由规则在流量上执行一些操作,例如:

  • 添加或删除 header。
  • 重写 URL。
  • 为调用这一目标地址的请求设置重试策略。

查看虚拟服务参考获取更多可能的配置项。

目标规则(DestinationRule)

与虚拟服务一样,目标规则]也是 Istio 流量路由功能的关键部分。可以将虚拟服务视为将流量如何路由到给定目标地址,然后使用目标规则来配置该目标的流量。在评估虚拟服务路由规则之后,目标规则将应用于流量的“真实”目标地址。

特别是,可以使用目标规则来指定命名的服务子集,例如按版本为所有给定服务的实例分组。然后可以在虚拟服务的路由规则中使用这些服务子集来控制到服务不同实例的流量。

目标规则还允许在调用整个目的地服务或特定服务子集时定制 Envoy 的流量策略,比如喜欢的负载均衡模型、TLS 安全模式或熔断器设置。

负载均衡选项

默认情况下,Istio 使用轮询的负载均衡策略,实例池中的每个实例依次获取请求。Istio 同时支持如下的负载均衡模型,可以在 DestinationRule 中为流向某个特定服务或服务子集的流量指定这些模型。

  • 随机:请求以随机的方式转到池中的实例。
  • 权重:请求根据指定的百分比转到实例。
  • 最少请求:请求被转到最少被访问的实例。

查看 Envoy 负载均衡文档获取这部分的更多信息。

目标规则示例

在下面的示例中,目标规则为 my-svc 目标服务配置了 3 个具有不同负载均衡策略的子集:

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apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: DestinationRule
metadata:
name: my-destination-rule
spec:
host: my-svc
trafficPolicy:
loadBalancer:
simple: RANDOM
subsets:
- name: v1
labels:
version: v1
- name: v2
labels:
version: v2
trafficPolicy:
loadBalancer:
simple: ROUND_ROBIN
- name: v3
labels:
version: v3

每个子集都是基于一个或多个 labels 定义的,在 Kubernetes 中它是附加到像 Pod 这种对象上的键/值对。这些标签应用于 Kubernetes 服务的 Deployment 并作为 metadata 来识别不同的版本。

除了定义子集之外,目标规则对于所有子集都有默认的流量策略,而对于该子集,则有特定于子集的策略覆盖它。定义在 subsets 上的默认策略,为 v1v3 子集设置了一个简单的随机负载均衡器。在 v2 策略中,轮询负载均衡器被指定在相应的子集字段上。

查看目标规则参考获取更多可能的配置项。

网关(Gateway)

使用网关为网格来管理入站和出站流量,可以指定要进入或离开网格的流量。网关配置被用于运行在网格边界的独立 Envoy 代理,而不是服务工作负载的 sidecar 代理。

与 Kubernetes Ingress API 这种控制进入系统流量的其他机制不同,Istio 网关让充分利用流量路由的强大能力和灵活性。可以这么做的原因是 Istio 的网关资源可以配置 4-6 层的负载均衡属性,如对外暴露的端口、TLS 设置等。作为替代应用层流量路由(L7)到相同的 API 资源,绑定了一个常规的 Istio虚拟服务到网关。这可以像管理网格中其他数据平面的流量一样去管理网关流量。

网关主要用于管理进入的流量,也可以配置出口网关。出口网关为离开网格的流量配置一个专用的出口节点,这可以限制哪些服务可以或应该访问外部网络,或者启用出口流量安全控制为网格添加安全性。也可以使用网关配置一个纯粹的内部代理。

Istio 提供了一些预先配置好的网关代理部署(istio-ingressgatewayistio-egressgateway)。

Gateway 示例

下面的示例展示了一个外部 HTTPS 入口流量的网关配置:

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apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: Gateway
metadata:
name: ext-host-gwy
spec:
selector:
app: my-gateway-controller
servers:
- port:
number: 443
name: https
protocol: HTTPS
hosts:
- ext-host.example.com
tls:
mode: SIMPLE
serverCertificate: /tmp/tls.crt
privateKey: /tmp/tls.key

这个网关配置让 HTTPS 流量从 ext-host.example.com 通过 443 端口流入网格,但没有为请求指定任何路由规则。为想要工作的网关指定路由,必须把网关绑定到虚拟服务上。正如下面的示例所示,使用虚拟服务的 gateways 字段进行设置:

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apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: VirtualService
metadata:
name: virtual-svc
spec:
hosts:
- ext-host.example.com
gateways:
- ext-host-gwy

然后就可以为出口流量配置带有路由规则的虚拟服务。

查看网关参考获取更多可能的配置项。

服务入口(ServiceEntry)

使用服务入口(Service Entry)来添加一个入口到 Istio 内部维护的服务注册中心。添加了服务入口后,Envoy 代理可以向服务发送流量,就好像它是网格内部的服务一样。配置服务入口允许您管理运行在网格外的服务的流量,它包括以下几种能力:

  • 为外部目标 redirect 和转发请求,例如来自 web 端的 API 调用,或者流向遗留老系统的服务。
  • 为外部目标定义重试、超时和故障注入策略。
  • 添加一个运行在虚拟机的服务来扩展您的网格
  • 从逻辑上添加来自不同集群的服务到网格,在 Kubernetes 上实现一个多集群 Istio 网格

您不需要为网格服务要使用的每个外部服务都添加服务入口。默认情况下,Istio 配置 Envoy 代理将请求传递给未知服务。但是,您不能使用 Istio 的特性来控制没有在网格中注册的目标流量。

服务入口示例

下面示例的 mesh-external 服务入口将 ext-resource 外部依赖项添加到 Istio 的服务注册中心:

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apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: ServiceEntry
metadata:
name: svc-entry
spec:
hosts:
- ext-svc.example.com
ports:
- number: 443
name: https
protocol: HTTPS
location: MESH_EXTERNAL
resolution: DNS

您指定的外部资源使用 hosts 字段。可以使用完全限定名或通配符作为前缀域名。

您可以配置虚拟服务和目标规则,以更细粒度的方式控制到服务入口的流量,这与网格中的任何其他服务配置流量的方式相同。例如,下面的目标规则配置流量路由以使用双向 TLS 来保护到 ext-svc.example.com 外部服务的连接,我们使用服务入口配置了该外部服务:

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apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: DestinationRule
metadata:
name: ext-res-dr
spec:
host: ext-svc.example.com
trafficPolicy:
tls:
mode: MUTUAL
clientCertificate: /etc/certs/myclientcert.pem
privateKey: /etc/certs/client_private_key.pem
caCertificates: /etc/certs/rootcacerts.pem

查看服务入口参考获取更多可能的配置项。

Sidecar

默认情况下,Istio 让每个 Envoy 代理都可以访问来自和它关联的工作负载的所有端口的请求,然后转发到对应的工作负载。使用 sidecar配置去做下面的事情:

  • 微调 Envoy 代理接受的端口和协议集。
  • 限制 Envoy 代理可以访问的服务集合。

如果希望在较庞大的应用程序中限制这样的 sidecar 可达性,配置每个代理能访问网格中的任意服务可能会因为高内存使用量而影响网格的性能

可以指定将 sidecar 配置应用于特定命名空间中的所有工作负载,或者使用 workloadSelector 选择特定的工作负载。例如,下面的 sidecar 配置将 bookinfo 命名空间中的所有服务配置为仅能访问运行在相同命名空间和 Istio 控制平面中的服务(目前需要使用 Istio 的策略和遥测功能):

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apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: Sidecar
metadata:
name: default
namespace: bookinfo
spec:
egress:
- hosts:
- "./*"
- "istio-system/*"

查看sidecar参考获取更多可能的配置项。

网络弹性和测试

除了网格导流之外,Istio 还提供了可选的故障恢复和故障注入功能,可以在运行时动态配置这些功能。使用这些特性可以让应用程序运行稳定,确保服务网格能够容忍故障节点,并防止局部故障级联影响到其他节点。

超时

超时是 Envoy 代理等待来自给定服务的答复的时间量,以确保服务不会因为等待答复而无限期的挂起,并在可预测的时间范围内调用成功或失败。HTTP 请求的默认超时时间是 15 秒,这意味着如果服务在 15 秒内没有响应,调用将失败。

对于某些应用程序和服务,Istio 的缺省超时可能不合适。例如,超时太长可能会由于等待失败服务的回复而导致过度的延迟;而超时过短则可能在等待涉及多个服务返回的操作时触发不必要地失败。为了找到并使用最佳超时设置,Istio 允许使用虚拟服务按服务轻松地动态调整超时,而不必修改您的业务代码。下面的示例是一个虚拟服务,它对 ratings 服务的 v1 子集的调用指定 10 秒超时:

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apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: VirtualService
metadata:
name: ratings
spec:
hosts:
- ratings
http:
- route:
- destination:
host: ratings
subset: v1
timeout: 10s

重试

重试设置指定如果初始调用失败,Envoy 代理尝试连接服务的最大次数。通过确保调用不会因为临时过载的服务或网络等问题而永久失败,重试可以提高服务可用性和应用程序的性能。重试之间的间隔(25ms+)是可变的,并由 Istio 自动确定,从而防止被调用服务被请求淹没。默认情况下,在第一次失败后,Envoy 代理不会重新尝试连接服务。

与超时一样,Istio 默认的重试行为在延迟方面可能不适合您的应用程序需求(对失败的服务进行过多的重试会降低速度)或可用性。可以在虚拟服务中按服务调整重试设置,而不必修改业务代码。还可以通过添加每次重试的超时来进一步细化重试行为,并指定每次重试都试图成功连接到服务所等待的时间量。下面的示例配置了在初始调用失败后最多重试 3 次来连接到服务子集,每个重试都有 2 秒的超时。

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apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: VirtualService
metadata:
name: ratings
spec:
hosts:
- ratings
http:
- route:
- destination:
host: ratings
subset: v1
retries:
attempts: 3
perTryTimeout: 2s

熔断器

熔断器是 Istio 为创建具有弹性的微服务应用提供的另一个有用的机制。在熔断器中,设置一个对服务中的单个主机调用的限制,例如并发连接的数量或对该主机调用失败的次数。一旦限制被触发,熔断器就会“跳闸”并停止连接到该主机。使用熔断模式可以快速失败而不必让客户端尝试连接到过载或有故障的主机。

熔断适用于在负载均衡池中的“真实”网格目标地址,可以在目标规则中配置熔断器阈值,让配置适用于服务中的每个主机。下面的示例将 v1 子集的reviews服务工作负载的并发连接数限制为 100:

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apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: DestinationRule
metadata:
name: reviews
spec:
host: reviews
subsets:
- name: v1
labels:
version: v1
trafficPolicy:
connectionPool:
tcp:
maxConnections: 100

您可以在熔断中查看更多相关信息。

故障注入

在配置了网络,包括故障恢复策略之后,可以使用 Istio 的故障注入机制来为整个应用程序测试故障恢复能力。故障注入是一种将错误引入系统以确保系统能够承受并从错误条件中恢复的测试方法。使用故障注入特别有用,能确保故障恢复策略不至于不兼容或者太严格,这会导致关键服务不可用。

与其他错误注入机制(如延迟数据包或在网络层杀掉 Pod)不同,Istio 允许在应用层注入错误。可以注入更多相关的故障,例如 HTTP 错误码,以获得更多相关的结果。

您可以注入两种故障,它们都使用虚拟服务:

  • 延迟:延迟是时间故障。它们模拟增加的网络延迟或一个超载的上游服务。
  • 终止:终止是崩溃失败。他们模仿上游服务的失败。终止通常以 HTTP 错误码或 TCP 连接失败的形式出现。

例如,下面的虚拟服务为千分之一的访问 ratings 服务的请求配置了一个 5 秒的延迟:

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apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: VirtualService
metadata:
name: ratings
spec:
hosts:
- ratings
http:
- fault:
delay:
percentage:
value: 0.1
fixedDelay: 5s
route:
- destination:
host: ratings
subset: v1

有关如何配置延迟和终止的详细信息请参考故障注入

Istio 故障恢复功能对应用程序来说是完全透明的。在返回响应之前,应用程序不知道 Envoy sidecar 代理是否正在处理被调用服务的故障。这意味着,如果在应用程序代码中设置了故障恢复策略,那么您需要记住这两个策略都是独立工作的,否则会发生冲突。例如,假设您设置了两个超时,一个在虚拟服务中配置,另一个在应用程序中配置。应用程序为服务的 API 调用设置了 2 秒超时。而您在虚拟服务中配置了一个 3 秒超时和重试。在这种情况下,应用程序的超时会先生效,因此 Envoy 的超时和重试尝试会失效。

虽然 Istio 故障恢复特性提高了网格中服务的可靠性和可用性,但应用程序必须处理故障或错误并采取适当的回退操作。例如,当负载均衡中的所有实例都失败时,Envoy 返回一个HTTP 503代码。应用程序必须实现回退逻辑来处理HTTP 503错误代码。


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