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1.  概述

软件开发过程中,应用发布非常频繁,通常情况下,开发或运维人员会将系统里所有服务同时上线,使得所有用户都使用上新版本。这样的操作时常会导致发布失败,或因发布前修改代码,线上出现 Bug。

假设一个在线商城,每天都有大量的用户访问,如果直接在所有用户中部署新版本应用,一旦出现问题,所有用户都可能受到影响。相比之下,通过引入灰度发布策略,先将新版本的应用部署到少量的用户中,检查是否存在问题,如果没有,再逐步扩展到更多的用户中,由此解决全量发布的各种弊端。

灰度发布是一种软件发布策略,它允许你在生产环境中渐进式部署应用,新版本只对部分用户可见,在问题出现时尽量减少影响。在微服务体系架构中,服务间的依赖关系错综复杂,有时单个服务发版依赖多个服务同时运行联动,对这个新版本服务的上下游进行分组验证,这是微服务架构中特有的全链路灰度发布场景。

使用腾讯云微服务引擎 TSE 提供的网关和服务治理能力,可以在不修改任何业务代码的情况下,可视化配置灰度规则,实现云上轻松易用的全链路灰度发布。

图 1-1 全链路灰度场景架构

接下来演示云原生 API 网关 + 北极星网格构建的全链路灰度发布能力。下图模拟的云书城应用,由 4 个后端的微服务组成,采用 Spring Boot + Dubbo 实现,调用链包含:收藏功能、购买功能,用户管理功能和订单功能。用户通过前端页面访问书城,进行内容浏览和书籍下单。

图 1-2 云书城前端页面

2.  环境

2.1 云组件版本

本次实践采用如下组件:

● TSE - 云原生网关:v2.5.1

● TSE - 北极星网格: v1.12.0.1

● TKE:v1.20

● APM-SkyWalking: v8.5.0

我们将应用部署在腾讯云 TKE 集群中,在实际生产中,全链路灰度对于应用的部署模式没有限制性要求,无论是 CVM 虚拟机,还是自建容器环境,都能应用此方案。

2.2 灰度服务准备

项目模拟书城收藏服务改版,对 addUserFavoriteBook 接口进行修改:当前基线版本点击【收藏】按钮后,仅显示成功收藏字样,代码示例如下:

public Response<String> addUserFavoriteBook(Long userId, Long isbn) {
Response<String> resp = new Response<String>(ResponseCode.SUCCESS);
try {
FavoritesInfo entity = new FavoritesInfo(userId, isbn);
if (favoritesPersistCmpt.favoriteExist(entity)) {
resp.setMsg("已收藏(version:1.0.0)");
return resp;
} favoritesPersistCmpt.addUserFavorite(entity);
resp.setMsg("收藏成功");
BookInfoDto dto = storeClient.getBookInfoByIsbn(isbn);
cacheCmpt.cashUserFavoriteBook(userId, dto);
} catch (Exception e) {
logger.error("failed to add FavoritesInfo", e);
resp.setFailue("服务异常,请稍后重试!");
}
return resp;
}

灰度版本修改后,页面点击【收藏】,会详细显示用户 ID 及书籍 ID,代码示例如下:

public Response<String> addUserFavoriteBook(Long userId, Long isbn) {
Response<String> resp = new Response<String>(ResponseCode.SUCCESS);
try {
FavoritesInfo entity = new FavoritesInfo(userId, isbn);
if (favoritesPersistCmpt.favoriteExist(entity)) {
resp.setMsg("已收藏(version:2.0.0)");
return resp;
}
favoritesPersistCmpt.addUserFavorite(entity);
resp.setMsg("用户 userId = " + userId + " 成功收藏 book isbn = " + isbn);
BookInfoDto dto = storeClient.getBookInfoByIsbn(isbn);
cacheCmpt.cashUserFavoriteBook(userId, dto);
} catch (Exception e) {
logger.error("failed to add FavoritesInfo", e);
resp.setFailue("服务异常,请稍后重试!");
}
return resp;
}

为了方便查看全链路服务当前版本,各服务将应用版本号回传给前端,在前端页面上显示。

图 2-1 基线版本收藏服务

图 2-2 灰度版本收藏服务

2.3 北极星网格接入

云书城架构中,服务发现能力目前是通过 Nacos 实现,在全链路灰度发布中,服务间需要使用到治理能力,我们采用北极星网格对注册发现功能进行替换。项目选择 Polaris-Dubbo 框架方式接入,通过更新北极星代码依赖,无需修改代码即可完成。对比原项目,有以下几点变化:

● 修改 POM.XML 文件,增加北极星 - Dubbo 服务注册、服务熔断及服务路由依赖包。

//服务注册插件
<dependency>
<groupId>com.tencent.polaris</groupId>
<artifactId>dubbo-registry-polaris</artifactId>
<version>${polaris.version}</version>
</dependency> //服务熔断插件
<dependency>
<groupId>com.tencent.polaris</groupId>
<artifactId>dubbo-circuitbreaker-polaris</artifactId>
<version>${polaris.version}</version>
</dependency> //服务路由插件
<dependency>
<groupId>com.tencent.polaris</groupId>
<artifactId>dubbo-router-polaris</artifactId>
<version>${polaris.version}</version>
</dependency>

● 在配置文件中,修改 Dubbo 应用注册中心接入地址。

dubbo.registry.address=polaris://x.x.x.x:8091?username=polaris&password=*****

修改后的项目,代码保持 Dubbo 标准方式进行注册及调用,无需变更。

//注册服务(服务端)
@DubboService(version = "${provicer.service.version}")
public class ProviderServiceImpl implements ProviderService {} //服务调用(消费端)
@DubboReference(version = "1.0.0")
private ProviderService providerService;

2.4 容器服务部署

完成上述修改后,对微服务应用重新编译打包,推送至镜像仓库。在 TKE 集群中,我们以 Deployment 方式下发应用。其中,收藏服务将基线版本和灰度版本都部署在集群中,其他服务仅部署一个版本,使用服务治理能力进行流量路由。

● 基线版本收藏服务 YAML:

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: favorites-service
namespace: qcbm
labels:
app: favorites-service
version: v1
spec:
replicas: 1
selector:
matchLabels:
app: favorites-service
version: v1
template:
metadata:
labels:
app: favorites-service
version: v1
spec:
containers:
- name: favorites-service
image: ccr.ccs.tencentyun.com/qcbm/favorites-service-polaris
env:
- name: MYSQL_HOST
valueFrom:
configMapKeyRef:
key: MYSQL_HOST
name: qcbm-env
optional: false
- name: REDIS_HOST
valueFrom:
configMapKeyRef:
key: REDIS_HOST
name: qcbm-env
optional: false
- name: MYSQL_ACCOUNT
valueFrom:
secretKeyRef:
key: MYSQL_ACCOUNT
name: qcbm-keys
optional: false
- name: MYSQL_PASSWORD
valueFrom:
secretKeyRef:
key: MYSQL_PASSWORD
name: qcbm-keys
optional: false
- name: REDIS_PASSWORD
valueFrom:
secretKeyRef:
key: REDIS_PASSWORD
name: qcbm-keys
optional: false
ports:
- containerPort: 20880
protocol: TCP

● 灰度版本收藏服务 YAML:

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: favorites-service-new
namespace: qcbm
labels:
app: favorites-service-new
version: v1
spec:
replicas: 1
selector:
matchLabels:
app: favorites-service-new
version: v1
template:
metadata:
labels:
app: favorites-service-new
version: v1
spec:
containers:
- name: favorites-service-new
image: ccr.ccs.tencentyun.com/qcbm/favorites-service-new-polaris
env:
- name: MYSQL_HOST
valueFrom:
configMapKeyRef:
key: MYSQL_HOST
name: qcbm-env
optional: false
- name: REDIS_HOST
valueFrom:
configMapKeyRef:
key: REDIS_HOST
name: qcbm-env
optional: false
- name: MYSQL_ACCOUNT
valueFrom:
secretKeyRef:
key: MYSQL_ACCOUNT
name: qcbm-keys
optional: false
- name: MYSQL_PASSWORD
valueFrom:
secretKeyRef:
key: MYSQL_PASSWORD
name: qcbm-keys
optional: false
- name: REDIS_PASSWORD
valueFrom:
secretKeyRef:
key: REDIS_PASSWORD
name: qcbm-keys
optional: false
ports:
- containerPort: 20880
protocol: TCP

● 前端页面服务以 Service 方式部署,通过 Ingress 模式对接云原生网关,提供集群外部访问能力

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: qcbm-front
namespace: qcbm
spec:
ports:
- name: http
port: 80
targetPort: 80
protocol: TCP
selector:
app: qcbm-front
version: v1
type: NodePort

2.5 云原生网关接入

云原生网关支持将流量直通到 Service 所在的 Pod,无需通过 NodePort 中转。在控制台里绑定 TKE 集群,输入 Service 名,网关通过 Endpoint 里收集 Pod IP,在网关里自动生成 Kong Services 和 Upstream。一旦 TKE Service 发生变化,Ingress Controller 会动态更新 Upstream 里的 Target 信息。

后续操作基于 Kong 里自动生成的 Services,配置基线及灰度网关路由规则。

图 2-3 云原生网关绑定 TKE 集群服务

图 2-4 云原生网关自动生成 Services

图 2-5 云原生网关自动生成 Upstreams

2.6 链路追踪接入

单体系统时代追踪的范围只局限于栈追踪,而在微服务环境中,追踪不只限于调用栈,一个外部请求需要内部若干服务的联动,完整的一次请求会跨越多个服务。链路追踪的主要目的是排查故障,如当前问题点处于调用链的哪一部分,各服务间输入输出是否符合预期,通过链路追踪,可以查看到服务间的网络传输信息,以及各服务内部的调用堆栈信息。

采用 APM 的 SkyWalking 协议方式进行上报,首先修改 SkyWalking 文件夹里的 agent.config 文件,配置接入点、Token 、自定义空间和服务名称。

collector.backend_service=x.x.x.x:11800
agent.authentication=xxxxxx
agent.service_name=favorites-service-new
agent.namespace=QCBM

在 Dockerfile 中,修改应用程序的启动命令行,以 JavaAgent 方式指定 SkyWalking Agent 的路径 :

java -javaagent:/app/skywalking/skywalking-agent.jar -jar favorites-service-new.jar

部署后,可以在控制台里验证应用拓扑正确性。

图 2-6 应用拓扑图

3.  解决方案

通过四个阶段的操作,实现收藏服务的全链路灰度发布,分别是实例打标、网关路由、微服务路和标签透传。

图 3-1 全链路灰度发布方案

3.1 实例打标及标签透传

实例打标,指的是通过实例标签标识不同的应用,将基线版本与灰度版本区分开。一般有两种方式进行实例打标:一是框架自动同步,将应用名,环境变量等做为实例标签;二是用 K8S 部署时的 CRD Label 作为实例标签。本实践中使用 Dubbo 框架里的 applicaiton 字段来区分基线版本和灰度版本应用。

图 3-2 网关路由规则

网关层对灰度流量进行了染色,在微服务调用过程中,需要将染色标签在每一跳进行传递,使得各微服务都可以识别到灰度流量,并进行正确路由处理。

图 3-3 标签透传示意图

外部染色标签在入口处,以 HTTP Header 方式存在,在 Dubbo-Gateway 服务处,编码将 HTTP Header 转化为 Dubbo attachment,使得染色标签在微服务内部中继续透传,最终根据 attachment 里的取值做服务间调用依据。

private FavoriteService add(FavoriteService favoriteService, String result) {
logger.info("header:{}", result);
RpcContext.getContext().setAttachment("gray", result == null ? "false" : result);
return favoriteService;
}

3.2 网关路由

网关作为系统流量入口,负责将外部流量按照一定的用户特征,切分流入灰度版本和基线版本。并对灰度流量进行染色打标,供服务治理中心动态路由规则匹配使用。在实际生产中,一般有三种分流的方法:

● 通过匹配用户请求的 Header 参数,进行流量区分。

● 通过匹配用户请求的 Host 特征,进行流量区分。

● 通过流量百分比进行区分,使用云原生网关能力,将其中一部分流量进行染色处理。

本次实践针对前两种切分方式进行介绍。

图 3-4 网关路由示意图

3.3 微服务路由

北极星网格在全链路灰度中,充当服务治理中心的角色,解决架构中注册发现、故障容错、流量控制和安全问题。通过北极星网格控制台中的配置,把基线和灰度请求,路由到不同的实例分组上,并将灰度请求固定在灰度版本服务间进行传递和处理。

图 3-5 动态路由示意图

我们创建了 2 条服务间动态路由规则,基线和灰度请求按照不同匹配规则,路由至对应实例分组。实现中,北极星基于请求消息内容来对请求匹配,并根据优先级进行流量调度。

图 3-6 治理中心路由规则

4.  场景

4.1 通过 Header 特征全链路灰度

1)场景说明

如果客户端访问希望统一域名,比如实践中的 gray.qcbm.yunnative.com,我们可以通过传入不同的 Header,把请求分别路由到基线和灰度环境。当生产环境中存在多个客户分组,或多条灰度路由规则,也可以通过云原生网关进行自定义 Header 染色,使用不同染色标签,进行服务间路由搭配。

图 4-1 通过 Header 特征全链路灰度

2)配置方法

在云原生网关上创建两条路由规则:

● qcbm-front-router-web,HOST 为 gray.qcbm.yunnative.com,Header 为 app:web,路由到 Dubbo-Gateway 服务

● qcbm-front-router-mobile,HOST 为 gray.qcbm.yunnative.com,Header 为 app:mobile,路由到 Dubbo-Gateway 服务,开启染色 (gray:true)

图 4-2 云原生网关路由规则

服务治理中心可以直接使用现成的 app:web 或 app:mobile 标签路由,也可以对路由请求新增染色,使用染色标签路由,优化复杂环境管理。这里我们开启云原生网关的 Request-Transformer 插件,对 qcbm-front-router-mobile 路由报文进行修改,添加 gray:true 头,使用该染色标识进行路由管理。

图 4-3 路由染色插件

图 4-4 添加染色标识

qcbm-front-router-mobile 路由规则的请求到达 Dubbo-Gateway 后,一旦需要访问收藏服务(FavoriteService),gray:true 染色标签会命中北极星网格灰度服务路由,选择调用 remote.application 为 favorites-service-new 的服务实例。此实例分组为我们部署的 favorites-service-new 灰度版本 deployment。

图 4-5 灰度服务路由

qcbm-front-router-web 路由规则的请求会命中无染色标签的基线服务路由,调用 remote.application 为 favorites-service 的服务实例。此实例分组为我们部署的 favorites-service 基线版本 deployment。

图 4-6 基线服务路由

3)结果验证

我们借用 chrome 浏览器插件 ModHeader,对访问请求按需添加 Header。

● 当添加 app:mobile 后,浏览器访问 gray.qcbm.yunnative.com,我们的访问链路如下:

[云原生网关] --> [Dubbo-Gateway] --> [Favorite-Service-New](灰度)

页面显示如下:

图 4-7 灰度请求页面

同时,也可以通过链路监控观察到,gateway-service(基线服务)正确的请求到 favorite-service-new(灰度服务),同时 favorite-service-new 正确请求到 store-service(基线服务):

图 4-8 灰度请求链路详情

● 当添加 app:web 后,浏览器访问 gray.qcbm.yunnative.com,此时我们的访问链路如下:

[云原生网关] --> [Dubbo-Gateway] --> [Favorite-Service](基线)

页面显示如下:

图 4-9 基线请求页面

通过链路监控,可以观察到,gateway-service(基线服务)正确的请求到 favorite-service(基线服务),同时 favorite-service 正确请求到 store-service(基线服务):

图 4-10 基线请求链路详情

在北极星网格中,我们可以针对链路的每一跳配置路由规则,每个主调服务都可以定义属于自己的匹配规则。

4.2 通过域名特征全链路灰度

1)场景说明

同样的,也可以采用域名对请求进行区分,预期 web 端用户采用 gray.web.yunnative.com 访问基线环境;mobile 端用户采用 gray.mobile.yunnative.com 访问灰度环境。这种分流方式,适用于网关根据用户登录信息,动态分流的场景,不同的用户在登录时,登录模块根据验证信息,返回 302 报文,给予不同的重定向域名,用户此时使用不同的域名去访问,云原生网关通过 HOST 来做流量区分,动态染色 HTTP 请求。

图 4-11 通过域名特征全链路灰度

2)配置方法

在云原生网关上创建两条路由规则:

● qcbm-front-router-web,HOST 为 gray.web.yunnative.com,路由到 Dubbo-Gateway 服务。

● qcbm-front-router-mobile,HOST 为 gray.mobile.yunnative.com,路由到 Dubbo-Gateway 服务,开启染色(gray:true)。

和场景 1 类似,qcbm-front-router-mobile 路由规则的请求到达 Dubbo-Gateway 后,一旦访问收藏服务(FavoriteService),gray:true 染色标签会命中北极星网格灰度路由,调用 remote.application 为 favorites-service-new 的实例分组;而 qcbm-front-router-web 路由规则的请求会命中无染色标签的网格基线路由,调用 remote.application 为 favorites-service 的实例分组,访问基线环境。

3)结果验证

● 浏览器访问 gray.mobile.yunnative.com 时,染色标签会被打上,此时访问链路如下:

[云原生网关] --> [Dubbo-Gateway] --> [Favorite-Service-New](灰度)

页面显示如下:

图 4-12 灰度请求页面

同时,也可以通过链路监控观察到,gateway-service(基线服务)正确的请求到 favorite-service-new(灰度服务),同时 favorite-service-new 正确请求到 store-service(基线服务):

图 4-13 灰度请求链路详情

● 当访问 gray.web.yunnative.com 时,无染色标签,此时我们的链路如下:

[云原生网关] --> [Dubbo-Gateway] --> [Favorite-Service](基线)

页面显示如下:

图 4-14 灰度请求页面

通过链路监控,可以观察到,gateway-service(基线服务)正确的请求到 favorite-service(基线服务),同时 favorite-service 正确请求到 store-service(基线服务):

图 4-15 基线请求链路详情

4.3 灰度服务故障转移

1)场景说明

在灰度发布过程中,可以通过监测系统性能和用户反馈来评估新功能的质量。如果新功能在测试期间表现良好,可以继续将其推向更多用户,替换原版本应用。如果出现任何问题,可以对灰度服务进行访问熔断处理,及时修复问题,然后继续灰度测试。

图 4-16 灰度服务故障转移

2)配置方法

在北极星网格上配置熔断规则,配合多实例分组路由规则,实现灰度服务故障 Failover。在全链路灰度场景基础上,在北极星网格控制台加上一条熔断规则。

● 当 delUserFavoriteBook 接口错误率大于 10%,阈值大于 10 个,熔断 Favorite-Service-New 灰度服务实例分组,同一 Deployment 里的所有 Pod 进入半开状态。

● 半开时间 60 秒,期间一旦请求成功则认为服务恢复,关闭熔断。

图 4-17 灰度服务熔断规则

接下来,在网格灰度路由中,添加低优先级实例分组,该分组为基线实例。一旦灰度实例分组被熔断,请求会去访问基线实例分组,直到灰度服务修复,熔断关闭。

图 4-18 灰度服务路由规则

3)结果验证

部署一个新的 “故障 “收藏服务,Dubbo 程序延用 application=favorites-service-new 标签(为区分应用,这里故障灰度服务命名为 Favorites-Service-New-Bad),保证原路由规则可用。该 “故障” 程序修改了收藏服务的 delUserFavoriteBook 接口代码,当访问时直接抛出异常,模拟服务故障。代码如下所示:

public Response<String> delUserFavoriteBook(Long userId, Long isbn) {
String hostAddress;
try {
hostAddress = InetAddress.getLocalHost().getHostAddress();
} catch (Exception e) {
hostAddress = "ip获取失败";
}
throw new RuntimeException("删除收藏-故障 ip:" + hostAddress);
}

浏览器访问 gray.mobile.yunnative.com 时,此时访问链路如下:

[云原生网关] --> [Dubbo-Gateway] --> [Favorite-Service-New-Bad](故障灰度)

页面显示如下:

图 4-19 灰度请求页面

进入收藏页面,点击【删除】,程序报错,显示调用异常。

图 4-20 灰度服务删除报错

通过链路追踪,也可以查看到服务异常。

图 4-21 应用调用拓扑

图 4-22 灰度服务删除链路错误

当故障错误大于 10 次,favorite-service-new 灰度实例分组被熔断,灰度路由进行低优先级目标选择,流量回源至基线实例分组 favorite-service,此时测试删除功能正常,因为此时我们的访问链路重新变为:

[云原生网关] --> [Dubbo-Gateway] --> [Favorite-Service](基线正常)

页面显示如下,服务调用已回源:

图 4-22 灰度请求页面(已回源)

5.  总结

在灰度发布实施前,需要按照如下三方面,对整体流程进行计划:

● 目标:在开始灰度发布之前,需要了解发布的目标是什么,比如说是测试新版本的性能,还是功能兼容性等,以便在灰度时进行对应的测试和观测。

● 灰度策略:有很多种灰度策略可供选择,例如按用户特征来灰度、按流量来灰度、按地域来灰度等。通过系统用户的特点,选择最合适的灰度策略。

● 灰度范围:在灰度发布过程中,应当能随时控制哪些用户可以访问新版本,当出现问题时,能将请求快速回滚到旧版本上。

灰度发布过程中,确认流量是否已经按计划切换到灰度实例分组,通过监控和日志,检查各服务是否正常运行,是否符合预期。

确定本次发布成功后,可以依次对老版本分组的实例进行滚动升级,多次升级完成灰度发布,一旦出现错误执行回退,有序控制发布节奏。最后,根据实际应用情况,删除或保留网关和治理中心的动态路由规则。

腾讯云 TSE 提供了完整的全链路灰度发布解决方案,适用各种发布流程,无需侵入代码,通过可视化配置灰度规则,有效地解决了微服务全链路灰度发布难实现的问题,让灰度发布更便捷、更顺利。

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