日调用量超三十万亿，腾讯开源百万级服务发现和治理中心北极星

目前很多企业在微服务实施和演化过程中，都会面临技术栈的多样性问题。整个微服务领域逐渐沉淀出了无数个相关组件，大家在选择上更加困难，也为企业的基础设施建设不断带来挑战。腾讯也曾面临这样的痛点，因此从 2019 年开始腾讯开创了统一的微服务解决方案“北极星”（Polaris Mesh），通过北极星对这些组件进行抽象和整合，打造公司标准化的服务发现和治理方案，帮助业务提升研发效率和运营质量。

经过两年的发展，北极星在腾讯内部注册服务数量超过百万，服务实例数量超过五百万，接口日调用量超过三十万亿，腾讯音乐、腾讯视频、腾讯会议、腾讯文档、企业微信、微信支付和王者荣耀等重点产品均在使用。

9 月 8 日，腾讯云面向所有开发者，正式宣布开源北极星（Polaris Mesh），开放了应用在大规模生产环境中的源代码，推进以微服务为核心的开源生态建设，并希望帮助业界更好地进行分布式或者微服务架构转型。

一、从单体到微服务架构

最近十几年，业务架构经历了从单体到分布式再到微服务的演进。单体架构的所有代码都在一个应用中，适合小规模或者初创期的业务。如果应用模块和开发人员的数量很少，单体架构容易开发、测试、部署和伸缩。随着应用模块和开发人员增加，单体架构面临众多问题，例如：

• 任何修改都需要重新编译和部署整个系统，变更风险大，测试成本高，编译速度慢。
• 如果某个业务模块存在缺陷，也会影响其他业务模块，降低整个系统的可用性。
• 如果每个业务模块的请求量不均匀，无法针对某些热点模块进行水平扩展。

为了解决这些问题，分布式和微服务架构将业务模块拆分成为独立的服务，但是整个系统的复杂度也急剧上升，如果没有配套的技术组件，分布式和微服务架构很难落地。作为微服务方向的开发人员，我们都知道服务发现和治理是分布式和微服务架构中的关键技术，可以很好的帮助大家解决服务寻址、流量调度、故障容错、访问控制和可观测性等问题，但这个关键技术目前在业界的开源解决方案却各有利弊，并不完美。

二、服务发现和治理技术

目前，业界主要有三种服务发现和治理方案：

• 第一种方案以 Spring Cloud 为代表，在开发框架中集成了一系列服务发现和治理组件。虽然在虚拟机和容器环境中可以无差别地使用，但是需要在开发时引入多个零散的功能组件，缺少统一的数据面和控制面，不同的语言和框架没有无法统一管理。
• 第二种是 Kubernetes Service，将服务注册到内置的 etcd，采用域名解析插件实现服务发现，但有个缺点是无法提供服务治理功能。
• 第三种是以 Istio 为代表的服务网格，通过劫持业务请求的方式实现服务发现和治理。这种方案对开发代码的侵入性低，具备统一的数据面和控制面，但是需要部署流量代理进程，同时还会增加运维成本，存在较大的资源和性能损耗。

我们认为上述三种方案各有优劣，不是谁取代谁的问题，而是互相融合，满足不同的业务需求。腾讯内部绝大部分核心业务使用第一种方案，也有不少业务在 Kubernetes 上使用其他两种方案，但是依然存在跨部门业务系统间数据无法打通、缺少标准化的服务治理的问题。

为了能够融合上述三种解决方案的优点，同时规避它们的缺点，我们开创了统一的解决方案——北极星，致力于打造腾讯新一代服务发现和治理中心，解决原有平台存在的问题，并且支持无缝迁移，实现公司服务的互联互通和统一治理。目前，北极星的注册服务数量超过百万，服务实例数量超过五百万，接口日调用量超过三十万亿，腾讯音乐、腾讯视频、腾讯会议、腾讯文档、企业微信、微信支付和王者荣耀等重点业务均在使用。

三、北极星是什么？

北极星（Polaris Mesh）是腾讯自研的服务发现和治理中心，以服务注册中心为基础，扩展了服务治理功能以及相应的控制面，提供多语言的客户端实现，不同的开发框架可以集成使用。随着容器化和云原生的推进，北极星也支持了 Kubernetes 服务和网格 Sidecar 的自动接入，实现了它们之间互联互通和统一治理。

3.1 功能特性

北极星主要有五大功能：

• 注册发现：北极星的基础部分是一个大容量和高可用的服务注册中心，除了支持多种协议的服务注册和发现，还支持对注册的服务实例进行健康检查，避免主调方将请求发送给异常实例。在围绕服务构建的分布式应用架构中，服务注册和发现至关重要，可以提高应用的扩展能力，降低应用的迁移成本。
• 流量调度：北极星提供动态路由和负载均衡两种类型的流量调度功能。动态路由根据请求标签、实例标签和标签匹配规则，可以实现按地域就近、单元化隔离和金丝雀发布等多种路由策略。负载均衡将请求均衡地分配给不同的被调方实例，支持权重随机、最小负载和权重一致性 Hash 等多种均衡算法。
• 熔断降级：北极星支持实例、接口和服务三种粒度的熔断策略。如果被调方的部分实例发生熔断，将请求分配给其他实例。如果被调方的某个接口或者服务发生熔断，根据降级策略直接返回。网络抖动、机器故障和程序缺陷等因素都可能导致实例、接口或者服务出现异常，熔断降级可以提高业务的请求成功率。
• 访问控制：北极星提供鉴权和限流两种访问控制功能。被调方可以设置鉴权规则，允许哪些主调方访问自己，不允许哪些主调方访问自己。被调方也可以设置单机或者分布式限流规则，一方面防止突发流量压垮自己，导致自己完全不可用，一方面防止部分主调方的请求量过多，消耗大量资源，影响其他主调方。
• 服务网格：对于上述服务发现和治理功能，北极星提供统一的控制面和数据面。数据面功能采用配置化的实现方式，控制面可以下发服务数据和治理规则到数据面，动态调整数据面的执行策略。数据面支持 多语言 SDK 和 Sidecar 两种模式。3.2 系统组件

北极星系统组件分为核心和生态两个部分：

• 核心组件：控制台、控制面和数据面
• 生态组件：用于框架、网关和 Kubernetes 对接

北极星控制面既包含服务注册中心，也包含服务治理控制面，服务治理控制面相当于业界服务网格的控制面。数据面分为 SDK 和 Sidecar 两种模式。SDK 模式提供多语言的实现，不需要劫持业务请求，和业务请求的协议无关，适合集成在开发框架里使用。Sidecar 模式需要劫持业务请求，存在性能和资源损耗，部署和运维成本高，适合 无侵入 的开发场景。

为了降低业务的使用成本，北极星提供三种类型的生态组件。第一类用于各种开发框架和北极星数据面的无缝集成，框架用户不需要直接调用北极星数据面，减少开发的侵入性；第二类用于各种网关和北极星数据面的无缝集成，支持网关将请求直接转发到北极星服务；第三类生态组件只有 polaris-controller，支持 Kubernetes 服务和网格 Sidecar 的自动接入。

3.3 最佳实践

目前，腾讯常用的框架、网关和容器平台已经集成北极星，形成了以北极星为核心的服务发现和治理体系。下面介绍北极星在腾讯的最佳实践：

第一，作为公司统一的服务发现平台，实现公司内网服务的互联互通。北极星采用计算和存储分离的架构，计算层可以随着客户端数量的增加平行扩展，轻松支持百万级客户端接入。同时服务端提供同城多中心或者跨城多中心等多种部署模式，满足不同的容灾要求。

第二，为不同的开发语言和框架提供统一的服务发现和治理功能。腾讯业务线众多，开发语言和框架也众多，北极星数据面支持多语言 SDK 和 Sidecar 两种模式。框架可以直接集成相应语言的 SDK，不需要部署 Sidecar，不会增加运维成本，没有性能和资源损耗。

第三，作为网关到内网服务的连接器。网关可以集成北极星，将请求直接转发到北极星服务，实现微服务网关的能力。

第四，现有的开源组件主要分为两个体系，一个围绕服务注册中心和开发框架打造，一个围绕 Kubernetes 服务和网格打造。两个体系各自有各自的亮点和局限，随着容器化和云原生的推进，越来越多企业同时使用两个体系。但是两个体系的实现存在割裂，给业务增加了不必要的使用成本。北极星对两个体系进行了融合，为虚拟机和容器环境、开发框架和网格提供一体化的服务发现和治理方案。

四、北极星和开源生态的关系

4.1 北极星和框架

北极星客户端可以集成到各种框架中，让裸的开发框架快速升级为分布式和微服务框架，具备完整的服务发现和治理功能。

腾讯业务常用的框架均已集成北极星，其中除了自研框架，还有 gRPC、Spring 和 Gin 等开源框架。如上所述，这些集成也会作为北极星的生态组件开源，框架用户可以直接引入，逻辑代码不需要任何改动。

4.2 北极星和网关

网关和框架的情况类似，北极星也可以和常见的开源网关集成使用。

4.3 北极星和 Kubernetes

随着容器化和云原生的推进，越来越多企业开始使用 Kubernetes 部署服务，腾讯也不例外。

在 Kubernetes 环境上，除了注册中心和框架，还有两种服务发现和治理方案：

• Kubernetes 服务：通过 DNS 域名解析实现服务发现，采用 iptables 或者 IPVS 实现负载均衡。这种方案简单易用，但是缺少其他服务治理能力，大规模服务存在性能瓶颈。
• 网格：通过劫持业务请求实现服务发现和治理。这种方案功能全面，但是存在 CPU 和性能损耗，运维成本高。

在腾讯内部，绝大部分业务使用注册中心和框架的方案，也有不少业务使用 Kubernetes 服务，网格还在小范围尝试阶段。

北极星提供 polaris-controller，支持 Kubernetes 服务和网格 Sidecar 自动注入，实现三种方案的联通和统一治理。