基于WASM的无侵入式全链路A/B Test实践

1 背景介绍

我们都知道，服务网格(ServiceMesh)可以为运行其上的微服务提供无侵入式的流量治理能力。通过配置VirtualService和DestinationRule，即可实现流量管理、超时重试、流量复制、限流、熔断等功能，而无需修改微服务代码。

流量管理的前提是一个服务存在多个版本，我们可以按部署多版本的目的进行分类，简述如下以方便理解余文的目的。

• traffic routing：根据请求信息(Header/Cookie/Query Params)，将请求流量路由到指定服务(Service)的指定版本(Deployment)的端点上(Pod[])。就是我们所说的A/B测试(A/B Testing)。
• traffic shifting：通过灰度/金丝雀(Canary)发布，将请求流量无差别地按比例路由到指定服务(Service)的各个版本(Deployment[])的端点上(Pod[])。
• traffic switching/mirroring：通过蓝绿(Blue/Green)发布，根据请求信息按比例进行流量切换，以及进行流量复制。

本文所述的实践是根据请求Header实现全链路A/B测试。

1.1 功能简述

从Istio社区的文档，我们很容易找到关于如何根据请求Header将流量路由到一个服务的特定版本的文档和示例。但是这个示例只能在全链路的第一个服务上生效。

举例来说，一个请求要访问A-B-C三个服务，这三个服务都有en版本和fr版本。我们期待：

• header值为user:en的请求，全链路路由为A1-B1-C1
• header值为user:fr的请求，全链路路由为A2-B2-C2

相应的VirtualService配置如下所示：

http:
- name: A|B|C-route
  match:
  - headers:
      user:
        exact: en
  route:
  - destination:
      host: A|B|C-svc
      subset: v1
- route:
  - destination:
      host: A|B|C-svc
      subset: v2

我们通过实测可以发现，只有A这个服务的路由是符合我们预期的。B和C无法做到根据Header值路由到指定版本。

image.png

这是为什么呢？对于服务网格其上的微服务来说，这个header是凭空出现的，也就是微服务代码无感知。因此，当A服务请求B服务时，不会透传这个header；也就是说，当A请求B时，这个header已经丢失了。这时，这个匹配header进行路由的VirtualService配置已经毫无意义。

要解决这个问题，从微服务方的业务角度看，只能修改代码(枚举业务关注的全部header并透传)。但这是一种侵入式的修改，而且无法灵活地支持新出现的header。

从服务网格的基础设施角度看，任何header都是没有业务意义且要被透传的kv pair。只有做到这点，服务网格才能实现无差别地透传用户自定义的header，从而支持无侵入式全链路A/B Test功能。

那么该怎样实现呢？

1.2 社区现状

前面已经说明，在header无法透传的情况下，单纯地配置VirtualService的header匹配是无法实现这个功能的。

但是，在VirtualService中是否存在其他配置，可以实现header透传呢？如果存在，那么单纯使用VirtualService，代价是最小的。

经过各种尝试(包括精心配置header相关的set/add)，我发现无法实现。原因是VirtualService对header的干预发生在inbound阶段，而透传是需要在outbound阶段干预header的。而微服务workload没有能力对凭空出现的header值进行透传，因此在路由到下一个服务时，这个header就会丢失。

image.png

因此，我们可以得出一个结论：无法单纯使用VirtualService实现无侵入式全链路A/B Test，进一步地说，社区提供的现有配置都无法做到直接使用就能支持这个功能。

那么，就只剩下EnvoyFilter这个更高级的配置了。这是我们一开始很不希望的结论。原因有两个：

1. EnvoyFilter的配置太过复杂，一般用户很难在服务网格中快速学习和使用，即便我们提供示例，一旦需求稍有变化，示例对修改EnvoyFilter的参考价值甚微。
2. 就算使用EnvoyFilter，目前Envoy内置的filter也没有直接支持这个功能的，需要借助Lua或者WebAssembly(WASM)进行开发。

1.3 实现方案

接下来进入技术选型。我用一句话来概括：

• Lua的优点是小巧，缺点是性能不理想
• WASM的优点是性能好，缺点是开发和分发相比Lua要困难。
• WASM的实现主流是C++和Rust，其他语言的实现尚不成熟或者存在性能问题。本文使用的是Rust。

我们使用Rust开发一个WASM，在outbound阶段，获取用户在EnvoyFilter中定义的header并向后传递。

WASM包的分发使用Kubernetes的configmap存储，Pod通过annotation中的定义获取WASM配置并加载。(为什么使用这种分发形式，后面会讲。)

image.png

2 技术实现

本节所述的相关代码：https://github.com/feuyeux/rust-wasm-4-envoy/tree/propaganda/propagate-headers-filter

2.1 使用RUST实现WASM

1 定义依赖

WASM工程的核心依赖crates只有一个，就是proxy-wasm，这是使用Rust开发WASM的基础包。此外，还有用于反序列化的包serde_json和用于打印日志的包log。Cargo.toml定义如下：

[dependencies]
proxy-wasm = "0.1.3"
serde_json = "1.0.62"
log = "0.4.14"

2 定义构建

WASM的最终构建形式是兼容c的动态链接库，Cargo.toml定义如下：

[lib]
name = "propaganda_filter"
path = "src/propagate_headers.rs"
crate-type = ["cdylib"]

3 Header透传功能

首先定义结构体如下，head_tag_name是用户自定义的header键的名称，head_tag_value是对应值的名称。

struct PropagandaHeaderFilter {
    config: FilterConfig,
}

struct FilterConfig {
    head_tag_name: String,
    head_tag_value: String,
}

{proxy-wasm}/src/traits.rs中的trait HttpContext定义了on_http_request_headers方法。我们通过实现这个方法来完成Header透传的功能。

impl HttpContext for PropagandaHeaderFilter {
    fn on_http_request_headers(&mut self, _: usize) -> Action {
        let head_tag_key = self.config.head_tag_name.as_str();
        info!("::::head_tag_key={}", head_tag_key);
        if !head_tag_key.is_empty() {
            self.set_http_request_header(head_tag_key, Some(self.config.head_tag_value.as_str()));
            self.clear_http_route_cache();
        }
        for (name, value) in &self.get_http_request_headers() {
            info!("::::H[{}] -> {}: {}", self.context_id, name, value);
        }
        Action::Continue
    }
}

第3-6行是获取配置文件中用户自定义的header键值对，如果存在就调用set_http_request_header方法，将键值对写入当前header。

第7行是对当前proxy-wasm实现的一个workaround，如果你对此感兴趣可以阅读如下参考：

• https://github.com/istio/istio/issues/30545#issuecomment-783518257
• https://github.com/proxy-wasm/spec/issues/16
• https://www.elvinefendi.com/2020/12/09/dynamic-routing-envoy-wasm.html

2.2 本地验证(基于Envoy)

1 WASM构建

使用如下命令构建WASM工程。需要强调的是wasm32-unknown-unknown这个target目前只存在于nightly中，因此在构建之前需要临时切换构建环境。

rustup override set nightly
cargo build --target=wasm32-unknown-unknown --release

构建完成后，我们在本地使用docker-compose启动Envoy，对WASM功能进行验证。

2 Envoy配置

本例需要为Envoy启动提供两个文件，一个是构建好的propaganda_filter.wasm，一个是Envoy配置文件envoy-local-wasm.yaml。示意如下：

volumes:
  - ./config/envoy/envoy-local-wasm.yaml:/etc/envoy-local-wasm.yaml
  - ./target/wasm32-unknown-unknown/release/propaganda_filter.wasm:/etc/propaganda_filter.wasm

Envoy支持动态配置，本地测试采用静态配置：

static_resources:
  listeners:
    - address:
        socket_address:
          address: 0.0.0.0
          port_value: 80
      filter_chains:
        - filters:
            - name: envoy.filters.network.http_connection_manager
...
                http_filters:
                  - name: envoy.filters.http.wasm
                    typed_config:
                      "@type": type.googleapis.com/udpa.type.v1.TypedStruct
                      type_url: type.googleapis.com/envoy.extensions.filters.http.wasm.v3.Wasm
                      value:
                        config:
                          name: "header_filter"
                          root_id: "propaganda_filter"
                          configuration:
                            "@type": "type.googleapis.com/google.protobuf.StringValue"
                            value: |
                              {
                                "head_tag_name": "custom-version",
                                "head_tag_value": "hello1-v1"
                              }
                          vm_config:
                            runtime: "envoy.wasm.runtime.v8"
                            vm_id: "header_filter_vm"
                            code:
                              local:
                                filename: "/etc/propaganda_filter.wasm"
                            allow_precompiled: true
...

Envoy的配置重点关注如下3点：

• 15行 我们在http_filters中定义了一个名称为header_filter的type.googleapis.com/envoy.extensions.filters.http.wasm.v3.Wasm
• 32行 本地文件路径为/etc/propaganda_filter.wasm
• 20-26行 相关配置的类型是type.googleapis.com/google.protobuf.StringValue，值的内容是{"head_tag_name": "custom-version","head_tag_value": "hello1-v1"}。这里自定义的Header键名为custom-version，值为hello1-v1。

3 本地验证

执行如下命令启动docker conpomse：

docker-compose up --build

请求本地服务：

curl -H "version-tag":"v1" "localhost:18000"

此时Envoy的日志应有如下输出：

proxy_1        | [2021-02-25 06:30:09.217][33][info][wasm] [external/envoy/source/extensions/common/wasm/context.cc:1152] wasm log: ::::create_http_context head_tag_name=custom-version,head_tag_value=hello1-v1
proxy_1        | [2021-02-25 06:30:09.217][33][info][wasm] [external/envoy/source/extensions/common/wasm/context.cc:1152] wasm log: ::::head_tag_key=custom-version
...
proxy_1        | [2021-02-25 06:30:09.217][33][info][wasm] [external/envoy/source/extensions/common/wasm/context.cc:1152] wasm log: ::::H[2] -> custom-version: hello1-v1

2.3 WASM的分发方式

WASM的分发是指将WASM包存储于一个分布式仓库中，供指定的Pod拉取的过程。

1 solo的wasme框架

solo提供了一整套WASM的开发框架wasme，基于该框架可以开发-构建-分发WASM包(OCI image)并部署到

Webassembly Hub。同时，该框架以CRD的形式对EnvoyFilter进行了封装，且可以让相关Pod从Webassembly Hub拉取WASM包。

image.png

这个方案的优点很明显，完整地支持了WASM的开发到上线的生命周期。但这个方案的缺点也非常明显，wasme的自包含导致了很难将其拆分，并扩展到solo体系之外。

wasme的方向是正确的，比如通过CRD来封装EnvoyFilter以及Webassembly Hub这种WASM中央仓库的思路。我的观点是，各大厂商顺着这个思路发展下去，提供成熟的定制和插拔能力后，WASM分发的终态就会浮出水面。

2 Envoy的remote方式

Envoy同时支持local和remote形式的资源定义。对比如下：

vm_config:
  runtime: "envoy.wasm.runtime.v8"
  vm_id: "header_filter_vm"
  code:
    local:
      filename: "/etc/propaganda_filter.wasm"

vm_config:
  runtime: "envoy.wasm.runtime.v8"
  code:
    remote:
      http_uri:
        uri: "http://*.*.*.216:8000/propaganda_filter.wasm"
        cluster: web_service
        timeout:
          seconds: 60
      sha256: "da2e22*"

remote方式是最接近原始Enovy的，因此这种方式本来是本例的首选。但是实测过程中发现在包的hash校验上存在问题，详见下方参考。并且，Envoy社区的大牛周礼赞反馈我说remote不是Envoy支持WASM分发的未来方向。因此，本例最终放弃这种方式。

• https://stackoverflow.com/questions/65871312/how-to-set-the-sha256-hex-in-envoy-wasm-remote-config

• https://envoyproxy.slack.com/archives/C78M4KW76/p1611496672017500

3 Configmap+Envoy的local方式

虽然这种方式不是WASM分发的终态，但是本例最终选择了这个方案。虽然configmap的本职工作不是存WASM的，但是configmap和Envoy的local模式都很成熟，两者结合恰能满足当前需求。

要把WASM包塞到配置中，首要考虑的是包的尺寸。我们使用wasm-gc进行包裁剪，示意如下：

ls -hl target/wasm32-unknown-unknown/release/propaganda_filter.wasm
wasm-gc ./target/wasm32-unknown-unknown/release/propaganda_filter.wasm ./target/wasm32-unknown-unknown/release/propaganda-header-filter.wasm
ls -hl target/wasm32-unknown-unknown/release/propaganda-header-filter.wasm

执行结果如下，可以看到裁剪前后，包的尺寸对比：

-rwxr-xr-x  2 han  staff   1.7M Feb 25 15:38 target/wasm32-unknown-unknown/release/propaganda_filter.wasm
-rw-r--r--  1 han  staff   136K Feb 25 15:38 target/wasm32-unknown-unknown/release/propaganda-header-filter.wasm

创建configmap：

wasm_image=target/wasm32-unknown-unknown/release/propaganda-header-filter.wasm
kubectl -n $NS create configmap -n $NS propaganda-header --from-file=$wasm_image

为指定Deployment打Patch：

patch_annotations=$(cat config/annotations/patch-annotations.yaml)
kubectl -n $NS patch deployment "hello$i-deploy-v$j" -p "$patch_annotations"

patch-annotations.yaml如下：

spec:
  template:
    metadata:
      annotations:
        sidecar.istio.io/userVolume: '[{"name":"wasmfilters-dir","configMap": {"name":"propaganda-header"}}]'
        sidecar.istio.io/userVolumeMount: '[{"mountPath":"/var/local/lib/wasm-filters","name":"wasmfilters-dir"}]'

2.4 集群验证(基于Istio)

1 实验示例

WASM分发到Kubernetes的configmap后，我们可以进行集群验证了。示例(源代码)包含3个Service：hello1-hello2-hello3，每个服务包含2个版本：v1/en和v2/fr。

每个Service配置了VirtualService和DestinationRule用来定义匹配Header并路由到指定版本。

apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: VirtualService
metadata:
  name: hello2-vs
spec:
  hosts:
    - hello2-svc
  http:
  - name: hello2-v2-route
    match:
    - headers:
        route-v:
          exact: hello2v2
    route:
    - destination:
        host: hello2-svc
        subset: hello2v2
  - route:
    - destination:
        host: hello2-svc
        subset: hello2v1
----
apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: DestinationRule
metadata:
  name: hello2-dr
spec:
  host: hello2-svc
  subsets:
    - name: hello2v1
      labels:
        version: v1
    - name: hello2v2
      labels:
        version: v2

Envoyfilter示意如下：

apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: EnvoyFilter
metadata:
  name: hello1v2-propaganda-filter
spec:
  workloadSelector:
    labels:
      app: hello1-deploy-v2
      version: v2
  configPatches:
    - applyTo: HTTP_FILTER
      match:
        context: SIDECAR_OUTBOUND
        proxy:
          proxyVersion: "^1\\.8\\.*"
        listener:
          filterChain:
            filter:
              name: envoy.filters.network.http_connection_manager
              subFilter:
                name: envoy.filters.http.router
      patch:
        operation: INSERT_BEFORE
        value:
          name: envoy.filters.http.wasm
          typed_config:
            "@type": type.googleapis.com/udpa.type.v1.TypedStruct
            type_url: type.googleapis.com/envoy.extensions.filters.http.wasm.v3.Wasm
            value:
              config:
                name: propaganda_filter
                root_id: propaganda_filter_root
                configuration:
                  '@type': type.googleapis.com/google.protobuf.StringValue
                  value: |
                    {
                      "head_tag_name": "route-v",
                      "head_tag_value": "hello2v2"
                    }
                vm_config:
                  runtime: envoy.wasm.runtime.v8
                  vm_id: propaganda_filter_vm
                  code:
                    local:
                      filename: /var/local/lib/wasm-filters/propaganda-header-filter.wasm
                  allow_precompiled: true

2 验证方法

携带header的请求curl -H "version:v1" "http://$ingressGatewayIp:8001/hello/xxx"通过istio-ingressgateway进入，全链路按header值，进入服务的指定版本。这里，由于header中指定了version为v2，那么全链路将
为hello1 v2-hello2 v2-hello3 v2。效果如下图所示。

image.png

验证过程和结果示意如下。

for i in {1..5}; do
    curl -s -H "route-v:v2" "http://$ingressGatewayIp:$PORT/hello/eric" >>result
    echo >>result
done
check=$(grep -o "Bonjour eric" result | wc -l)
if [[ "$check" -eq "15" ]]; then
    echo "pass"
else
    echo "fail"
    exit 1
fi

Bonjour eric@hello1:172.17.68.205<Bonjour eric@hello2:172.17.68.206<Bonjour eric@hello3:172.17.68.182
Bonjour eric@hello1:172.17.68.205<Bonjour eric@hello2:172.17.68.206<Bonjour eric@hello3:172.17.68.182
Bonjour eric@hello1:172.17.68.205<Bonjour eric@hello2:172.17.68.206<Bonjour eric@hello3:172.17.68.182
Bonjour eric@hello1:172.17.68.205<Bonjour eric@hello2:172.17.68.206<Bonjour eric@hello3:172.17.68.182
Bonjour eric@hello1:172.17.68.205<Bonjour eric@hello2:172.17.68.206<Bonjour eric@hello3:172.17.68.182

我们看到，输出信息Bonjour eric来自各个服务的fr版本，说明功能验证通过。

3 性能分析

新增EnvoyFilter+WASM后，功能验证通过，但这会带来多少延迟开销呢？这是服务网格的提供者和使用者都非常关心的问题。本节将对如下两个关注点进行验证。

• 增加EnvoyFilter+WASM后的增量延迟开销情况
• WASM版本和Lua版本的开销对比

3.1 Lua实现

Lua的实现可以直接写到EnvoyFilter中，无需独立的工程。示例如下：

patch:
  operation: INSERT_BEFORE
  value:
    name: envoy.lua
    typed_config:
      "@type": type.googleapis.com/envoy.extensions.filters.http.lua.v3.Lua
      inlineCode: |
        function envoy_on_request(handle)
          handle:logInfo("[propagate header] route-v:hello3v2")
          handle:headers():add("route-v", "hello3v2")
        end

3.2 压测方法

1 部署

• 分别在3个namespace上部署相同的Deployment/Service/VirtualService/DestinationRule
• 在hello-abtest-lua中部署基于Lua的EnvoyFilter
• 在hello-abtest-wasm中部署基于WASM的EnvoyFilter

hello-abtest        基准环境
hello-abtest-lua    增加EnvoyFilter+LUA的环境
hello-abtest-wasm   增加EnvoyFilter+WASM的环境

2 工具

本例使用hey作为压测工具。hey前身是boom，用来代替ab(Apache Bench)。使用相同的压测参数分别对三个环境进行压测。示意如下：

# 并发work数量
export NUM=2000
# 每秒请求数量
export QPS=2000
# 压测执行时常
export Duration=10s

hey -c $NUM -q $QPS -z $Duration -H "route-v:v2" http://$ingressGatewayIp:$PORT/hello/eric > $SIDECAR_WASM_RESULT

请关注hey压测结果文件，结果最后不能出现socket: too many open files，否则影响结果。可以使用ulimit -n $MAX_OPENFILE_NUM命令配置，然后再调整压测参数，以确保结果的准确性。

3.3 报告

我们从三份结果报告中选取4个关键指标，如下图所示：

image.png

	基准	WASM	LUA
1000并发1000QPS持续10秒钟
平均延迟	0.6317 secs	0.6395 secs	0.7012 secs
延迟99%分布	0.9167 secs	0.9352 secs	1.1355 secs
QPS	1541	1519	1390
Total	16281	16109	1390
2000并发2000QPS持续10秒钟
平均延迟	1.2078 secs	1.3290 secs	1.4593 secs
延迟99%分布	1.8621 secs	1.8354 secs	2.2116 secs
QPS	1564	1421	1290
Total	17622	16009	14662

3.4 结论

1. 相对于基准版本，增加EnvoyFilter的两个版本，平均延迟多出几十个到几百个毫秒，增加耗时比为

• wasm 1.2% (0.6395-0.6317)/0.6317和1% (1.3290-1.2078)/1.2078
• lua 11%(0.7012-0.6317)/0.6317和20% (1.4593-1.2078)/1.2078

2. WASM版本的性能明显优于LUA版本

注：相比LUA版本，WASM的实现是一套代码多份配置。因此WASM的执行过程还比LUA多出一个获取配置变量的过程。

4 展望

4.1 如何使用

本文从技术实现角度，讲述了如何实现并验证一个透传用户自定义Header的WASM，从而支持无侵入式全链路A/B Test这个需求。

但是，作为服务网格的使用者，如果按照本文一步步去实现，是非常繁琐且容易出错的。

服务网格的提供者应当提供一种类似solo wasme的方式，将功能所需的配置进行封装，并发布到插件目录。用户只需在插件目录中选择插件，并为插件提供自定义的Header等极少数量的kv配置，即可自动生成和部署相关的EnvoyFilter+WASM+VirtualService+DestinationRule。

4.2 如何扩展

本例只展示了基于Header的匹配路由功能，如果我们希望根据Query Params进行匹配和路由该如何扩展呢？

一种方式是开发并替换本例中的WASM，一种方式是由服务网格的提供者发布更多的插件目录。前者更灵活，但非托管无法保证稳定性和兼容性；后者更健壮，但会有滞后。

以上。