Uma Introdução à Service Mesh com Linkerd

Conversamos recentemente sobre Service Mesh e como este padrão de arquitetura pode salvar seu projeto de forma que ele ganhe mais observabilidade e facilidade de utilização.

Falamos de Service Mesh de forma muito conceitual. Agora vamos colocar a mão na massa e criar nossa própria mesh utilizando o Linkerd!

Linkerd

O Linkerd é um projeto criado dentro do Twitter em 2013, quando a rede estava migrando sua arquitetura de uma plataforma de camadas para uma arquitetura de microsserviços. O projeto Linkerd foi transformado em open source em 2016 no que ficou conhecida como  a versão 0.1.

Em 2017, o projeto foi doado a CNCF (Cloud Native Computing Foundation), que é um braço da Linux Foundation dedicado a cuidar de projetos open source. Alguns projetos como o Kuberntes, Helm, Brigade, Harbor, Envoy e o CoreDNS fazem parte dessa incrível fundação.

Recentemente, em 2018, o Linkerd chegou a versão 2.0. O Linkerd v2 foi lançado corrigindo uma série de problemas e tendo como base as lições aprendidas na v1. O projeto inicial tinha a intenção de ser altamente configurável, poderoso e multiplataforma. Já a v2 tinha como objetivo ser muito mais simples. Os principais objetivos de design da versão dois eram:

• Zero configuração
• Simples e leve
• Pensado para Kubernetes

Por padrão, o Linkerd já nos proporciona uma série de funcionalidade nativas:

• Detecção de protocolos: O Linkerd pode, além de fazer um proxy para protocolos TCP e gRPC, detectar se o tráfego é do tipo HTTP ou gRCP automaticamente.
• Proxy HTTP 1.1/2 e gRPC: Se qualquer um destes protocolos for usado, o Linkerd pode, nativamente, extrair métricas, fazer proxies, lógicas de tentativas e load balancing.
• Injeção automática e zero configuração: Como vamos ver mais adiante, o Linkerd é super simples de se instalar, mesmo em clusters com aplicações existentes. Portanto isso facilita muito a adoção da ferramenta
• mTLS automático por padrão: Por padrão, toda comunicação interna é criptografada usando mTLS
• Observabilidade: Além de logs e métricas, o Linkerd pode construir um grafo de serviços baseado somente nos tráfegos de entrada e saída. Tudo com métricas e dados.
• Divisão de tráfego: Uma técnica bastante comum para aplicações distribuídas é chamada de Canary Deployment. Que é quando fazemos o deploy de aplicações parcialmente, através do redirecionamento de parte do tráfego gradualmente para a aplicação nova enquanto a aplicação antiga ainda está funcionando. O Linkerd nativamente proporciona essa funcionalidade.

Arquitetura

Para entendermos melhor o que estamos fazendo, vamos tentar entender como o Linkerd funciona e qual é a arquitetura que ele segue. Para isso temos dois conceitos que são inerentes de service mesh.

• Control Plane: Responsável por coletar e armazenar todas as informações de requisições e também controlar o fluxo de informações
• Data Plane: Aonde sua aplicação está localizada e aonde estamos tendo transferências de dados

Não vou passar por todas as camadas do sistema de forma completa, pois não é o intuito do artigo, mas vou falar um pouco de cada uma para podermos entender como todas as partes se comunicam.

Proxy

A única parte que existe no data plane. É a responsável por capturar informações e métricas dos containers onde suas aplicações estão rodando.

Isto é feito através da injeção de dois containers dentro dos seus pods do Kubernetes:

• Init Container: Vai ser executado antes do container do pod e vai configurar as regras de acesso, IP e rotas para que toda a comunicação passe primeiro pelo proxy do Linkerd
• Proxy Container: É a camada que vai capturar as requisições e extrair métricas para análise.

Controller

É a parte com mais responsabilidades. Ela contém o core do Linkerd e possui diversas funcionalidades:

• Host do servidor de API
• Atua como CA (autoridade certificadora) para o mTLS
• Informação de service discovery e balanceamento de carga para o proxy
• Permite o tap, que é a inspeção em tempo real do tráfego de rede em uma ou mais rotas/aplicações
• Injeta os proxies automaticamente nos containers iniciados

Web

Uma das grandes facilidades do Linkerd é a existencia de uma interface web que mostra e controla todos os aspectos da malha.

Prometheus

Serviço de coleta de métricas do proxy. Busca e armazena temporariamente as métricas coletadas das suas aplicações.

Muitas vezes o cluster do Kubernetes já vem com um serviço do Prometheus, o serviço do Linkerd não é configurado para análise, somente para performance, então ele não armazena mais do que 6h de métricas.

Grafana

Busca métricas e as exibe em forma de gráficos e dashboards

E o Istio?

Uma das principais perguntas que as pessoas fazem quando olham o Linkerd é:

Qual é a diferença entre o Linkerd e o Istio?

Basicamente, temos algumas diferenças de foco da plataforma em si e também na arquitetura. Porém, em suma, o Linkerd é uma ferramenta mais focada em performance do que o Istio.

O Istio é mais focado em prover mais ferramentas e funcionalidade e, por isso, é mais complexo do que o Linkerd. Em minha opinião, o uso do Linkerd é muito mais fácil para quem está começando com Service Mesh do que o Istio.

Criando um service mesh

Chegou a hora de sair da teoria e entrar na prática! Vamos colocar a mão na massa e entender como podemos criar um service mesh usando Linkerd.

Para realizar esse hands on eu vou criar um cluster no AKS, mas você pode escolher realizar em qualquer cluster Kubernetes que você tiver, inclusive em um cluster já em produção visto que o Linkerd não é destrutivo e instala suas informações em outro namespace.

Você também pode utilizar soluções para executar o K8S de forma local com o minikube, Docker ou outras opções

Dentro deste cluster vou fazer o deploy da aplicação presente no repositório abaixo

Esta é uma aplicação de demonstração que utiliza um front-end e um backend para comunicação. Você também pode seguir utilizando outra aplicação como, por exemplo, a aplicação de exemplo do Linkerd.

Vou assumir que o cluster já está criado e que a aplicação já está rodando para podermos pular diretamente para a parte que importa.

Instalação

Para rodarmos o Linkerd, primeiramente precisamos instalar a linha de comando da ferramenta com o comando:

curl -sL https://run.linkerd.io/install | sh

E adicionar no nosso path com o comando:

export PATH=$PATH:$HOME/.linkerd2/bin

Se você usa Mac, então você pode instalar o Linkerd com o Homebrew através do brew install linkerd

Validação

Antes de instalarmos o Linkerd no cluster propriamente dito, vamos realizar uma validação executando o comando:

linkerd check --pre

Isso vai garantir que todos os nomes e serviços estão disponíveis para que o Linkerd seja instalado

Então rodamos o comando:

linkerd install | kubectl apply -f -

Perceba que este comando, na verdade é uma junção, pois o Linkerd não faz nenhuma instalação no cluster, ele somente gera um output de um arquivo YAML que pode ser usado pelo cluster para criar seus workloads, por isso que damos um pipe para o kubectl apply -f -. Experimente rodar somente linkerd install e veja os arquivos sendo mostrados na tela.

Depois, vamos rodar o comando a seguir para podermos checar se todo o processo foi executado com sucesso:

linkerd check

Se tudo correu bem, você deverá ter uma saída como esta:

Todos os workloads do Linkerd são instalados dentro de um namespace próprio chamado linkerd, então você pode buscar todos os recursos que comentamos através do kubectl pelo comando:

kubectl get all -n linkerd

Primeiras impressões

Para começarmos a entender como o Linkerd funciona, você pode digitar o comando linkerd dashboard & e aguardar alguns segundos para a abertura do painel web.

Por este painel você será capaz de realizar executar todas as funcionalidades do Linkerd, bem como verificar o estado do seu cluster, ele também pode agir como uma forma de dashboard para o Kubernetes, de certa forma. Basta vermos a seção Workloads no menu lateral:

Veja que estamos trabalhando no namespace default. Isso pode ser trocado através do menu de seleção.

Control Plane

Se clicarmos na seção Control Plane, iremos ter uma visão geral de todo o nosso Service Mesh.

Veja que este painel nos mostra todo o status do sistema e também a quantidade de componentes que temos instalados.

Mais abaixo, podemos ver a quantidade de namespaces que estão "meshed", ou seja, que estão injetados pelo proxy do Linkerd de forma que estão gerando métricas:

Adicionando métricas

Nossa aplicação está no namespace default, como fazemos para incluí-la no Service Mesh? Simples! Vamos executar o seguinte comando:

kubectl get deploy -o yaml

Veja que temos todos os arquivos YAML dos nossos deployments, então vamos criar um pipe deste comando para o comando linkerd inject:

kubectl get deploy -o yaml | linkerd inject -

Agora veja a diferença entre os dois arquivos. O arquivo injetado terá uma annotation no template do pod desta forma:

Esta é a única mudança que é feita em seus deployments, ou seja, é muito fácil injetar o Linkerd em serviços que já estão em produção sem causar muitos efeitos colaterais.

Vamos aplicar as mudanças através de um outro pipe para o comando apply:

kubectl get deploy -o yaml | linkerd inject - | kubectl apply -f -

Assim que aplicarmos a mudança poderemos ver uma movimentação no Control Plane de forma que ele estará carregando os nossos pods novamente para incluí-los nas métricas:

Veja que não temos um dos pods enviando métricas... O pod do MongoDB está fora do Mesh, mas por que?

Pois, neste exemplo, ele é um StatefulSet e não um deployment! Então vamos executar o mesmo comando que executamos anteriormente, mas vamos substituir deploy por sts.

kubectl get sts -o yaml | linkerd inject - | kubectl apply -f -

Importante: Para este exemplo estou utilizando uma versão simples do MongoDB dentro do cluster local, você pode utilizar uma versão hosteada por qualquer provedor – como o Mongo Atlas, por exemplo – ou então outras soluções. A aplicação só precisa de um MongoDB para funcionar.

Agora temos todos os detalhes:

Ferramentas

O Linkerd nos dá uma série de ferramentas interessantes, vamos conhecer algumas delas.

Grafana

Clique no nome do namespace na aba Control Plane.

Além de conseguirmos verificar as métricas dentro do painel do Linkerd, também podemos encontrar um dashboard do Grafana ao clicarmos no pequeno ícone laranja no canto direito

Vamos abrir o painel para o deployment porto-backend:

Veja que o dashboard não apresenta nenhum dado... Por que? Pois ainda não fizemos nenhuma requisição que possa ser capturada! Vamos entrar na nossa aplicação e criar alguns acessos. Para achar a URL da sua aplicação utilize o comando kubectl get ing para buscar os ingresses e assim as URLs.

Assim que começarmos a fazer alguns acessos podemos ver alguns dados chegando:

E podemos ver o que está acontecendo nos gráficos do grafana também!

Temos também métricas de tráfego TCP:

Além deste dashboard, temos outros dashboards já internos que o próprio Linkerd criou.

Visão em tempo real

Ao clicarmos no nosso deployment dentro da visão do namespace, podemos ver em tempo real as chamadas que estão sendo feitas.

Também podemos ver um mapa da aplicação que nos mostra quais são os serviços conectados.

Top

Se clicarmos no menu Top na seção Tools do menu lateral. Vamos poder selecionar um namespace ou recurso para podermos acompanhar em tempo real. Selecione o namespace default e faça algumas requisições para a aplicação. Veja que começamos a ter um acompanhamento de métricas:

Tap

Ainda na mesma visualização, veja que temos o ícone de um microscópio, este ícone permite que observemos aquela rota específica para mais detalhes.

Vamos abrir a aba Tap no menu lateral. Selecionar o namespace default no topo e clicar em start. Assim que fizermos algumas requisições, poderemos ver todas elas em tempo real

Ao clicarmos na seta esquerda, teremos uma visualização da request em detalhes

Grafo de serviços

Na minha opinião, uma das funcionalidades mais legais do Linkerd é a do grafo de serviços. Para podermos representar bem como ela funciona, vamos voltar para a visualização de namespaces no menu esquerdo e clicar sobre o namespace linkerd

No topo da tela teremos uma representação dos serviços que estão conversando entre si e quais deles estão enviando requisições. Isto é muito útil quando estamos falando de meshes muito grandes.

Removendo o Linkerd

Para removermos o linkerd de um namespace basta executar o comando

kubectl get deploy -o yaml | linkerd uninject - | kubectl apply -f -

Ou seja, da mesma forma que executamos o inject, executamos também o uninject.

Conclusão

O Linkerd pode facilitar muito a vida de quem esta desenvolvendo aplicações distribuídas, por ser simples e fácil de instalar, ele tem uma grande vantagem sobre os demais sistemas de Service Mesh e pode provar ser um excelente adendo à sua infraestrutura.

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Até mais!