Istio服务网格：深入学习网络流量和架构

摘要

本文首先介绍了Istio的基础知识，然后结合实际的样例阐释了Istio是如何将sidecar容器注入到Kubernetes集群中，并实现流量拦截的。

本文最初发表于Solo官方博客，经原作者Kasun Talwatta授权，由InfoQ中文站翻译分享。

像Istio这样的服务网格项目会为我们的架构引入很多的特性和收益，包括更安全地管理集群中微服务之间的流量、服务发现、请求路由以及服务之前可靠的通信。

尽管Istio是平台中立的服务网格，但是它更受欢迎的使用场景是与Kubernetes协作。虽然它如此流行，但对于刚接触服务网格的人来说，理解Istio的网络和核心机制可能会很复杂和困难，例如：

• Envoy sidecar代理的注入
• sidecar是如何拦截和路由流量的
• 流量管理配置的发布
• 流量规则如何在数据平面上生效

在本系列的博客文章的第一篇中，我们将会分析Istio的架构和实现原理，从而解释这些机制是如何运行的，我们将会介绍Istio的网络基础知识、数据平面和控制平面、网络、以及使用Envoy代理的sidecar注入。借助一个演示环境，我们将会看到Istio如何注入init和sidecar容器，以及这些容器在pod模板中的配置。

Istio的网络基础

Istio概览已在官方文档中进行了详尽的介绍，但在继续后面的内容之前，我们着重再看一下它的几个核心组件。

Istio主要由两部分组成，分别是数据平面和控制平面。

• 数据平面：数据平面或者数据层是由代理服务的集合所组成的，它们会使用扩展的Envoy代理服务器，表现形式是每个Kubernetes pod中的sidecar容器。这些sidecar会协调和控制所有微服务之间的网络通信，同时还会收集和报告有用的遥测数据。
• 控制平面：控制平面或者控制层由一个名为istiod的二进制文件组成，负责将高层级的路由规则和流量控制行为转换成Envoy的特定配置，然后在运行时将它们传播到sidecar中。除此之外，控制平面还提供安全措施，通过内置的身份标识和证书管理，实现强大的服务间和终端用户认证，同时根据服务的身份标识执行安全策略。

样例环境中的Istio网络

在介绍下面的内容之前，我们创建一个本地的沙箱环境。这能确保我们会有一个部署在Kubernetes中的Istio服务网格以及运行在网格中的示例应用。

所需的工具包括:

• minikube
• istioctl(可以通过curl -L https://istio.io/downloadIstio | ISTIO_VERSION=1.11.4 sh安装)

部署Istio服务网格的步骤如下：

1.使用hyperkit驱动在本地创建一个1.22.2版本的Kubernetes集群，如果你使用非Mac OS X的机器的话，那么需要使用virtualbox来代替。

minikube start --memory=4096 --cpus=2 --disk-size='20gb' --kubernetes-version=1.22.2 --driver=hyperkit -p istio-demo

2.集群启动之后，执行如下的命令来搭建Istio

# Deploy Istio operator
istioctl operator init
# Inject operator configuration
cat << EOF | kubectl apply -f -
apiVersion: install.istio.io/v1alpha1
kind: IstioOperator
metadata:
  name: istio-control-plane
  namespace: istio-system
spec:
  profile: minimal
  meshConfig:
    accessLogFile: /dev/stdout
    enableAutoMtls: true
    defaultConfig:
      proxyMetadata:
        # Enable basic DNS proxying
        ISTIO_META_DNS_CAPTURE: 'true'
        # Enable automatic address allocation
        ISTIO_META_DNS_AUTO_ALLOCATE: 'true'
EOF

3.部署示例应用

# Create apps namespace
kubectl create ns apps
# Label apps namespace for sidecar auto injection
kubectl label ns apps istio-injection=enabled
# Deploy a unprivileged sleep application
cat << EOF | kubectl apply -n apps -f -
apiVersion: v1
kind: ServiceAccount
metadata:
  name: sleep
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: sleep
  labels:
    app: sleep
    service: sleep
spec:
  ports:
  - name: http
    port: 80
  selector:
    app: sleep
---
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: sleep
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: sleep
  template:
    metadata:
      labels:
        app: sleep
    spec:
      terminationGracePeriodSeconds: 0
      serviceAccountName: sleep
      containers:
      - name: sleep
        image: curlimages/curl
        command: ["/bin/sleep", "3650d"]
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        volumeMounts:
        - name: secret-volume
          mountPath: /etc/sleep/tls
      volumes:
      - name: secret-volume
        secret:
          secretName: sleep-secret
          optional: true
EOF

4.验证istio-init和istio-proxy容器已经就绪并处于运行状态

kubectl get po -l app=sleep -n apps -o jsonpath='{range .items[*]}{range @.status.containerStatuses[*]}{.name},{"ready="}{.ready},{"started="}{.started}{"\n"}{end}{range @.status.initContainerStatuses[*]}{.name},{"ready="}{.ready},{"terminated="}{.state.terminated.reason}{end}' | sort

该命令将会输出：

istio-init,ready=true,terminated=Completed
istio-proxy,ready=true,started=true

Istio sidecar容器和Envoy代理

在Istio中，sidecar注入是关键功能之一，它简化了以pod模板的形式添加和运行额外容器的过程。在这个注入过程中，会提供两个额外的容器，分别是：

• istio-init：这个容器会配置应用pod中的iptables，这样Envoy代理（以另外一个容器的形式运行）就能拦截入站和出站流量。在所有其他的容器启动之前，Kubernetes会将其以Init容器的形式运行，以初始化pod中的网络。请注意，允许istio-init在内核空间操纵iptables，需要升级Kubernetes的权限。这个容器成功完成任务之后就会自动终止。在此之前，pod将不会进入就绪状态。请注意，为了消除部署该容器时产生安全问题和运维方面的麻烦，Istio引入了CNI插件，因此它会直接与底层的Kubernetes CNI集成，而不需要操作iptables。
• istio-proxy：它会打包成上游Envoy代理的扩展版本。请参阅官方文档以了解所支持的扩展列表。

深入研究sidecar的清单

我们首先看一下在之前部署的应用pod中，这两个容器的YAML清单（manifest）。

kubectl get po -l app=sleep -n apps -o yaml

我们来看一下istio-init和istio-proxy容器的片段。

istio-init容器：

initContainers:
- name: istio-init
  image: docker.io/istio/proxyv2:1.11.4
  imagePullPolicy: IfNotPresent
  args:
  - istio-iptables
  - -p
  - "15001"
  - -z
  - "15006"
  - -u
  - "1337"
  - -m
  - REDIRECT
  - -i
  - '*'
  - -x
  - ""
  - -b
  - '*'
  - -d
  - 15090,15021,15020
  env:
  - name: ISTIO_META_DNS_AUTO_ALLOCATE
    value: "true"
  - name: ISTIO_META_DNS_CAPTURE
    value: "true"
  resources:
    limits:
      cpu: "2"
      memory: 1Gi
    requests:
      cpu: 100m
      memory: 128Mi
  securityContext:
    allowPrivilegeEscalation: false
    capabilities:
      add:
      - NET_ADMIN
      - NET_RAW
      drop:
      - ALL
    privileged: false
    readOnlyRootFilesystem: false
    runAsGroup: 0
    runAsNonRoot: false
    runAsUser: 0

istio-proxy容器：

containers:
- name: istio-proxy
  image: docker.io/istio/proxyv2:1.11.4
  imagePullPolicy: IfNotPresent
  args:
  - proxy
  - sidecar
  - --domain
  - $(POD_NAMESPACE).svc.cluster.local
  - --proxyLogLevel=warning
  - --proxyComponentLogLevel=misc:error
  - --log_output_level=default:info
  - --concurrency
  - "2"
  ports:
  - name: http-envoy-prom
    containerPort: 15090
    protocol: TCP
  readinessProbe:
    httpGet:
      path: /healthz/ready
      port: 15021
      scheme: HTTP
    failureThreshold: 30
    initialDelaySeconds: 1
    periodSeconds: 2
    successThreshold: 1
    timeoutSeconds: 3
  securityContext:
    allowPrivilegeEscalation: false
    capabilities:
      drop:
      - ALL
    privileged: false
    readOnlyRootFilesystem: true
    runAsGroup: 1337
    runAsNonRoot: true
    runAsUser: 1337
  env:
  - name: PROXY_CONFIG
    value: |
      {"proxyMetadata":{"ISTIO_META_DNS_AUTO_ALLOCATE":"true","ISTIO_META_DNS_CAPTURE":"true"}}
  - name: ISTIO_META_DNS_AUTO_ALLOCATE
    value: "true"
  - name: ISTIO_META_DNS_CAPTURE
    value: "true"
  ...

在这些片段中有一些有意思的事情：

• 这两个容器都是由同一个镜像提供的，也就是docker.io/istio/proxyv2:1.11。这意味着什么，它又是如何运行的呢？istio-iptables和proxy（在args部分下面）命令被封装到了镜像中的pilot-agent二进制文件中。所以，如果在istio-proxy容器中运行pilot-agent二进制文件的话（kubectl exec $(kubectl get po -l app=sleep -n apps -o jsonpath="{.items[0].metadata.name}") -n apps -c istio-proxy -- pilot-agent），输出如下所示：

Istio Pilot agent runs in the sidecar or gateway container and bootstraps Envoy.
Usage:
  pilot-agent [command]
Available Commands:
  completion           generate the autocompletion script for the specified shell
  help                 Help about any command
  istio-clean-iptables Clean up iptables rules for Istio Sidecar
  istio-iptables       Set up iptables rules for Istio Sidecar
  proxy                XDS proxy agent
  request              Makes an HTTP request to the Envoy admin API
  version              Prints out build version information
  wait                 Waits until the Envoy proxy is ready

• 为了尽可能减少攻击面，istio-init容器中的securityContext小节（它是PodSecurityContext对象的一部分）标记该容器将以root权限运行（runAsUser: 0），但是除了NET_ADMIN和NET_RAW能力之外，其他的Linux能力都被禁用了。这些能力为istio-init init容器提供了运行时的权限，以重写应用pod的iptables。更多细节，请参阅Istio的文档。

allowPrivilegeEscalation: false
capabilities:
  add:
  - NET_ADMIN
  - NET_RAW
  drop:
  - ALL
privileged: false
readOnlyRootFilesystem: false
runAsGroup: 0
runAsNonRoot: false
runAsUser: 0

另一方面，istio-proxy容器以1337用户在限制权限下运行。因为这是一个保留用户，所以应用工作负载的UID（User ID）必须要与之不同，不能与1337冲突。1337 UID是由Istio团队任意选择的，以便于将流量重定向到istio-proxy容器。我们可以看到在初始化iptables的时候，1337也作为了istio-iptables的参数。由于这个容器会与应用工作负载一起运行，Istio还确保它对根文件系统只有读的权限。

allowPrivilegeEscalation: false
capabilities:
  drop:
  - ALL
privileged: false
readOnlyRootFilesystem: true
runAsGroup: 1337
runAsNonRoot: true
runAsUser: 1337

• istio-proxy容器运行时会使用如下所示的就绪性（readiness）探针。在Kubernetes中，kubelet使用这个探针确定istio-proxy是否已经准备好接收流量。只有当istio-proxy容器以及所有相关的应用容器均处于运行状态并且健康探针成功执行的情况下，kubelet才会将Pod视为达到就绪状态。如果针对服务器路径“/healthz/ready”（在pilot-agent源码中定义的）的处理器返回成功的状态码，kubelet就会认定容器处于健康状态。failureThreshold配置指定了在将容器视为未就绪之前，这个就绪性探针允许连续失败的次数。

readinessProbe:
    httpGet:
      path: /healthz/ready
      port: 15021
      scheme: HTTP
    initialDelaySeconds: 1
    failureThreshold: 30
    periodSeconds: 2
    successThreshold: 1
    timeoutSeconds: 3

sidecar注入分析

Istio采用了两种不同的方式将sidecar代理注入应用的工作负载中，分别是手动和自动方式。这两种方法都遵循相同的注入原则，那就是指定的“某些”应用工作负载（这能够以更高级的Kubernetes资源的形式来进行定义，如Deployment、Statefulset、DaemonSet，甚至可以作为Pod）允许Kubernetes使用sidecar注入模板和配置参数（istio-sidecar-injector configmap）注入sidecar容器。

Istio中的手动sidecar注入

在这两种方法中，手动方式更易于理解。手动注入是通过istioctl命令并借助kube-inject参数完成的。你可以使用下面的任何一种格式来注入：

istioctl kube-inject -f application.yaml | kubectl apply -f -

或者

kubectl apply -f <(istioctl kube-inject -f application.yaml)

当使用istioctl kube-inject来注入sidecar的时候，默认它会使用集群中名为istio-sidecar-injector Kubernetes configmap。它是以一组标记的形式提供的，我们可以声明它们以自定义这种行为：

--injectConfigFile string    Injection configuration filename. Cannot be used with --injectConfigMapName
--meshConfigFile string      Mesh configuration filename. Takes precedence over --meshConfigMapName if set
--meshConfigMapName string   ConfigMap name for Istio mesh configuration, key should be "mesh" (default "istio")
--injectConfigMapNam string  ConfigMap name for Istio sidecar injection, key should be "config" (default "istio-sidecar-injector")

注意，在istioctl kube-inject中，--injectConfigMapNam是一个隐藏标记，它允许我们重写集群中sidecar的注入配置。

另外，注入也可以通过配置的本地副本和上述标记来实现：

kubectl -n istio-system get configmap istio-sidecar-injector -o=jsonpath='{.data.config}' > inject-config.yaml
kubectl -n istio-system get configmap istio-sidecar-injector -o=jsonpath='{.data.values}' > inject-values.yaml
kubectl -n istio-system get configmap istio -o=jsonpath='{.data.mesh}' > mesh-config.yaml
istioctl kube-inject \
    --injectConfigFile inject-config.yaml \
    --meshConfigFile mesh-config.yaml \
    --valuesFile inject-values.yaml \
    --filename application.yaml \
    | kubectl apply -f -

必须要注意的是，在手动注入的时候，不要破坏sidecar，尤其是使用自定义配置的时候。

Istio中的自动sidecar注入

这种方式被认为是Istio中注入sidecar的标准方法。与手动方式相比，它涉及的配置步骤更少，但是它取决于底层的Kubernetes分发版本是否启用了对admission控制器的支持。Istio使用了一个mutating webhook admission控制器来实现这一点。

如下是Kubernetes mutating admission在sidecar注入时的处理过程：

• 首先，istio-sidecar-injector mutating配置会在Istio安装过程中注入进来，并且会发送一个包含了所有pod信息的webhook请求到istiod控制器。
• 接下来，控制器会在运行时修改pod规范，将一个init和sidecar容器代理引入到实际的pod规范中。
• 然后，控制器将修改后的对象返回给admission webhook进行对象校验。
• 在检验完成后，修改后包含所有sidecar容器的pod规范会进行部署。

关于完整的配置，请使用如下的命令kubectl get mutatingwebhookconfiguration istio-sidecar-injector -o yaml进行查阅。为了简洁起见，下面的片段中仅包含了四个webhook配置中的两个：

apiVersion: admissionregistration.k8s.io/v1
kind: MutatingWebhookConfiguration
metadata:
  name: istio-sidecar-injector
webhooks:
- admissionReviewVersions:
  - v1beta1
  - v1
  clientConfig:
    caBundle: cert
    service:
      name: istiod
      namespace: istio-system
      path: /inject
      port: 443
  failurePolicy: Fail
  matchPolicy: Equivalent
  name: namespace.sidecar-injector.istio.io
  namespaceSelector:
    matchExpressions:
    - key: istio-injection
      operator: In
      values:
      - enabled
  objectSelector:
    matchExpressions:
    - key: sidecar.istio.io/inject
      operator: NotIn
      values:
      - "false"
  reinvocationPolicy: Never
  rules:
  - apiGroups:
    - ""
    apiVersions:
    - v1
    operations:
    - CREATE
    resources:
    - pods
    scope: '*'
  sideEffects: None
  timeoutSeconds: 10
- admissionReviewVersions:
  - v1beta1
  - v1
  clientConfig:
    caBundle: cert
    service:
      name: istiod
      namespace: istio-system
      path: /inject
      port: 443
  failurePolicy: Fail
  matchPolicy: Equivalent
  name: namespace.sidecar-injector.istio.io
  namespaceSelector:
    matchExpressions:
    - key: istio-injection
      operator: In
      values:
      - enabled
  objectSelector:
    matchExpressions:
    - key: sidecar.istio.io/inject
      operator: NotIn
      values:
      - "false"
  reinvocationPolicy: Never
  rules:
  - apiGroups:
    - ""
    apiVersions:
    - v1
    operations:
    - CREATE
    resources:
    - pods
    scope: '*'
  sideEffects: None
  timeoutSeconds: 10
- admissionReviewVersions:
  - v1beta1
  - v1
  clientConfig:
    caBundle: cert
    service:
      name: istiod
      namespace: istio-system
      path: /inject
      port: 443
  failurePolicy: Fail
  matchPolicy: Equivalent
  name: object.sidecar-injector.istio.io
  namespaceSelector:
    matchExpressions:
    - key: istio-injection
      operator: DoesNotExist
    - key: istio.io/rev
      operator: DoesNotExist
  objectSelector:
    matchExpressions:
    - key: sidecar.istio.io/inject
      operator: In
      values:
      - "true"
    - key: istio.io/rev
      operator: DoesNotExist
  reinvocationPolicy: Never
  rules:
  - apiGroups:
    - ""
    apiVersions:
    - v1
    operations:
    - CREATE
    resources:
    - pods
    scope: '*'
  sideEffects: None
  timeoutSeconds: 10

这个配置会告诉Kubernetes mutating控制器在HTTPS端口上安全地将请求发送到istiod服务的“/inject”端点。在调用mutating webhook之前，Kubernetes会检查发送请求的用户是否允许发起该请求。在Istio中，webhook是作为istiod二进制文件的一部分实现的。

注入可以使用命名空间级别的标签（istio-injection=enabled），也可以使用对象级别的注解（sidecar.istio.io/inject="true"）来触发。每个webhook配置在namespaceSelector和objectSelector中为这些触发器定义了匹配规则。当注入基于命名空间级别定义的标签触发时，在命名空间中创建的任何部署对象（Deployment、StatefulSet、DaemonSet）都将注入sidecar代理的变更。下面是对匹配规则的小结。

在注入Pod清单时，也可以直接变更pod对象（如果命名空间还没有标签的话）。Pod清单必须要有一个sidecar.istio.io/inject="true"标签。举例来说：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: sleep
  namespace: apps
  labels:
    app: sleep
    sidecar.istio.io/inject: "true"
...

到目前为止，我们已经了解了Istio的基础知识、数据平面和控制平面、网络，以及Envoy代理的sidecar注入，并且展示了Istio如何使用演示环境在pod模板中注入init和sidecar容器以及这些容器的配置。在后续的博客文章中，我们将分析如何配置和管理iptables。