深度剖析Istio共享代理新模式Ambient Mesh

摘要：今年9月份，Istio社区宣布Ambient Mesh开源，由此引发国内外众多开发者的热烈讨论。

本文分享自华为云社区《深度剖析！Istio共享代理新模式Ambient Mesh》，作者：华为云云原生团队。

今年9月份，Istio社区宣布Ambient Mesh开源，由此引发国内外众多开发者的热烈讨论。实际上，通过与Istio TOC成员linsun（https://github.com/linsun）的交流，我们得知早在2021年，http://Solo.io已经开始共享代理的研究和设计，同样也是在2021年Google内部也在探索共享代理模式。因此，两家公司一拍即合，今年4~5月份开始以协作开发的方式，加速共享代理模式的发展。

目前Ambient Mesh已经发布预览版本，感兴趣的读者可以按需体验。由于篇幅限制，本文主要针对Ambient Mesh架构及四层流量治理的流程进行深度剖析，关于七层流量治理的详解，请关注后续文章。

1.Ambient Mesh 是什么

简单来讲，Ambient Mesh是Istio服务网格的一种共享代理的新模式。它是由 Google 和 http://Solo.io 联合开发的一种新的数据面模式，旨在简化操作、提升应用兼容性并降低基础设施成本。Ambient模式可在放弃引入 Sidecar 的情况下，保持 Istio 的零信任安全、流量管理和遥测等核心功能。

2.Ambient Mesh架构分析

开始Ambient的架构之前，我们先简单回顾一下Istio 的架构。其主要由两部分组成，分别是控制面和数据面。控制面Istiod进行基本的配置生成和推送，管理着所有的数据面；数据面引入 Sidecar 代理，接管应用的入口和出口流量。

图1 Istio架构

相比Sidecar，Ambient Mesh提供一种侵入性更低，升级管理更简单的选择。Ambient 将 Istio 的功能分成两个不同的层次，安全覆盖层（四层治理）和 七层 处理层（七层治理）：

图2 Ambient mesh分a层

• 安全覆盖层：处理TCP路由、监控指标、访问日志，mTLS 隧道，简单的授权
• 七层处理层：除安全覆盖层的功能外，提供HTTP协议的路由、监控、访问日志、调用链、负载均衡、熔断、限流、重试等流量管理功能以及丰富的七层授权策略

Ambient Mesh下的负载可与 Sidecar 模式下的负载无缝互通，允许用户根据自己的需要来混合搭配使用两种模式。

• 四层治理架构：在 Sidecar 模式下，Istio 通过 InitContainer 或 Istio-CNI 实现流量拦截。Ambient Mesh下 Istio-CNI 是必选组件，下图展示了基本的 Ambient Mesh四层治理架构：

图3 Ambient mesh四层治理架构

Istio-CNI 中，新增 Ambient 的处理模块 ，该模块会监听 Namespace 以及 Pod 的变化，为所在节点的应用设置路由和iptables规则:

• 路由：设置路由表，将本节点应用发出的流量路由到 ztunnel，以及将本节点接收的流量路由到ztunnel。

• iptables：在ztunnel容器中设置iptables规则，将流量透明拦截至 ztunnel 对应的端口上。

ztunnel 是 Ambient 新引入的组件，以 Daemonset 的方式部署在每个节点上。ztunnel 为网格中的应用通信提供 mTLS、遥测、身份验证和 L4授权功能，不执行任何七层协议相关的处理。只有当ztunnel运行在工作负载相同的节点上时，控制面才会将工作负载证书颁发给该 ztunnel。因此 当ztunnel 被攻击时，只有运行在该节点上的负载的证书可能被盗用，安全风险相对可控，这和其他实现良好的节点共享基础设施类似。

• 七层流量治理架构：目前 Ambient Mesh需要通过定义一个 Gateway API 资源显式对某个服务启用七层处理。下图展示了Ambient七层治理的架构：

图4 Ambient mesh七层治理架构

与Ambient四层治理相比，七层治理架构中新增了waypoint组件。Pilot 中新增了waypoint 的处理模块 , 它监听 ServiceAccount、Deployment、Gateway API对象的变化，然后调协相关的 waypoint对象：

• ServiceAccount发生变化时，Pilot会尝试更新当前命名空间下所有的 waypoint
• Deployment发生变化时，通过其OwnerReference 关联的 Gateway对象，触发waypoint的维护
• Gateway发生变化时，更新关联的 waypoint 代理

当前 Ambient创建 waypoint 代理需要依赖类似下面的Gateway API 资源:

apiVersion: gateway.networking.k8s.io/v1alpha2
kind: Gateway
metadata:
  name: productpage
  annotations:
    istio.io/service-account: bookinfo-productpage
spec:
 gatewayClassName: istio-mesh

gatewayClassName 值必须设置为 istio-mesh，否则可能会被忽略。每个 ServiceAccount 都有自己专用的 waypoint 代理，这点与 Sidecar 模型非常相似。建议每个服务使用自己单独的身份，避免带来额外的安全风险。
Pilot会将 七层七层 流量规则通过 xDS 更新至 waypoint 代理，实现 七层 相关流量治理能力。waypoint 代理不一定保证与其所服务的工作负载位于同一节点，这似乎会带来一定的性能问题。但是对于 Istio 来说，延迟更多来自于复杂的 七层 处理，预计最终Ambient模式的七层治理延迟与 Sidecar 模式接近。waypoint 代理通过单独Deployment部署，因此可为其单独配置所需要的 CPU、内存，设置相关 的HPA弹性伸缩策略，不再与应用耦合，提供更加灵活的扩展性并可以在一定程度上提升资源的使用率。

3.Ambient Mesh四层流量治理

我们知道ztunnel只能进行四层的流量治理，四层负载均衡以及TLS流量加密、基本的认证和鉴权等，而不能进行更高级的七层路由和认证鉴权。这里我们通过sleep应用访问bookinfo的例子，深入理解Ambient Mesh的四层流量是如何路由的。本例子的实际环境背景如下，sleep和productpage应用分别运行在两个不同的节点。

图5 Ambient mesh四层流量代理流程

• 在sleep容器内访问productpage服务，首先请求被拦截到同节点的ztunnel中，ztunnel做基本的四层负载均衡和TLS加解密，最后选择一个目标实例（productpage容器的IP）将本次请求转发出去。

• 本次请求进入productpage容器所在的节点，首先被拦截到ztunnel， ztunnel负责TLS流量的解密，然后执行用户指定的鉴权策略，最后将请求发往productpage容器。

以上就是Ambient mesh流量转发的一个基本流程，下面我们结合具体的xDS配置深入理解完整的通信流程。

3.1 sleep发送侧流量处理

（1）sleep访问productpage的流量被同节点的tunnel以TPROXY（透明代理）方式拦截转发到ztunnel(监听127.0.0.1:15001)，使用TPROXY的好处是保留原始的目的地址，ztunnel做转发时必须依赖原始目的地址。

-A PREROUTING -i pistioout -p tcp -j TPROXY --on-port 15001 --on-ip 127.0.0.1 --tproxy-mark 0x400/0xfff

（2）ztunnel通过"ztunnel_outbound"监听器，监听在15001端口。ztunnel_outbound监听器与Istio Sidecar模式的监听器完全不同，它包含所有本节点上的服务到整个网格其他服务的过滤器链。

图6 ztunnel_outbound监听器

可以看到所有的过滤器链都没有设置匹配条件（默认全部匹配），那么这时ztunnel怎么根据流量特征选择目标过滤器链的呢？原来在监听器根上还有一种设置过滤器匹配条件的方式，通过下面匹配到源地址为10.244.1.4，目的地址为10.96.179.71，目的端口为9080的流量，交由"spiffe://cluster.local/ns/default/sa/sleep_to_http_productpage.default.svc.cluster.local_outbound_internal"过滤器处理，

图7 ztunnel_outbound过滤器链匹配

（3）"spiffe://cluster.local/ns/default/sa/sleep_to_http_productpage.default.svc.cluster.local_outbound_internal"过滤器关联到同名的Cluster。该Cluster一共包含两个Endpoint实例，根据负载均衡算法选择某一个Endpoint，并且最重要的是将metadata（tunnel的destination和address）传递给名为"outbound_tunnel_lis_spiffe://cluster.local/ns/default/sa/bookinfo-productpage" 的监听器处理。

图8 outbound_internal内部Cluster配置

图9 outbound_internal内部Cluster Endpoint

（4）“outbound_tunnel_lis_spiffe://cluster.local/ns/default/sa/sleep”监听器通过“set_dst_address”过滤器根据上一步的选择的Endpoint的metadata设置数据的目的地址。假如前面outbound_internal Cluster选择的是10.244.2.8:9080这个Endpoint，那么这里的tunnel监听器将把10.244.2.8:15008设置为目的地址。另外该监听器，只有一个TcpProxy，关联到名为“outbound_tunnel_clus_spiffe://cluster.local/ns/default/sa/ sleep”的Cluster，那么流量自然交由该Cluster处理。TCP过滤器上还设置了HTTP Connect隧道（承载发送到10.244.2.8:9080的流量），供后面productpage所在节点的ztunnel使用。HTTP隧道是Ambient Mesh 组件之间安全通信的承载协议。

图10 outbound_tunnel监听器配置

outbound_tunnel Cluster的类型为“ORIGINAL_DST”，并且配置有UpstreamTlsContext， 因此它负责流量TLS加密，然后直接发送到目的地址，即10.244.2.8:15008。

图11 outbound_tunnel cluster配置

3.2 productpage接收侧流量处理

（1）sleep访问productpage的流量（目的地址是“10.244.2.8:15008”）到达productpage所在的节点，以TPROXY（透明代理）方式被拦截到ztunnel(监听127.0.0.1:15008)，使用TPROXY的好处是保留原始的目的地址，ztunnel做转发时必须依赖原始目的地址。

10.244.2.8 via 192.168.126.2 dev istioin table 100 src 10.244.2.1
-A PREROUTING -i pistioin -p tcp -m tcp --dport 15008 -j TPROXY --on-port 15008 --on-ip 127.0.0.1 --tproxy-mark 0x400/0xfff

（2）ztunnel上面“ztunnel_inbound”监听器监听在15008端口，因此流量首先经过ztunnel_inbound监听器的处理。ztunnel_inbound监听器上面设置了TLS，根据其配置与下游进行TLS握手，从而所有的ztunnel之间基于双向TLS加密通信。另外，从下面配置中可以看到，CONNECT 升级已经设置，那么Envoy就会代理HTTP的Connect请求。除此之外，RouteMatch中设置了connectMatcher，意味着将HTTP Connect请求交由“virtual_inbound”Cluster处理。

图12 ztunnel_inbound监听器配置

（3）virtual_inbound Cluster类型为ORIGINAL_DST，并且设置使用x-envoy-original-dst-host HTTP Header重写原始目的地址，而此Header恰恰由发送侧的“outbound_tunnel_lis_spiffe://cluster.local/ns/default/sa/sleep”监听器设置，值为10.244.2.8:9080。因此本次请求通过virtual_inbound最终成功发送给productpage容器。

图13 virtual_inbound cluster配置

3.3 Ambient Mesh四层流量治理小结

图14 完整的服务访问四层代理

sleep访问productpage的实例中，虽然我们使用的是HTTP协议，但是从Ambient所有的组件视角来看，其代理的为TCP流量。前面我们深入分析了ztunnel中每一个监听器、每一个Cluster的工作原理，看起来可能会很复杂。故在此通过图14进行一个概要的总结，我们发现在通信的过程中，实际参加工作的模块并不多：

1. 发送侧的路由、iptables：将流量拦截到ztunnel的15001端口
2. 发送侧ztunnel：两个监听器和对应的两个cluster
3. 接收侧的路由、iptables：将流量拦截到ztunnel的15008端口
4. 接收ztunnel：virtual_inbound监听器及关联的cluster

4. 未来展望

Sidecar是 Istio 的特色，利用 Sidecar，对应用进行非常小的修改就可以享受服务网格带来的好处，减少运维负担；但是 Sidecar 模式也有一些限制：

1. 侵入性：Sidecar 容器是以Admission Webhook的方式来注入，与应用容器属于同一个Pod，因此Sidecar的升级，必须伴随着业务容器的重建。对应用负载来可能是破坏性的（例如：长连接场景下滚动升级可能造成浪涌）。
2. 资源利用率低：Sidecar 与应用一一对应，且必须预留足够的CPU和内存，可能导致整个集群资源利用率偏低；弹性扩缩容只能针对整个工作负载进行，无法单独对 Sidecar 进行。
3. 流量中断：流量的捕获和 HTTP 处理由 Sidecar 完成，成本高且可能破坏一些不兼容 HTTP 的实现。

当前 Ambient Mesh已经较好地解决了 Sidecar 模式下应用和 Sidecar 的部署依赖问题，不再需要注入Sidecar；服务网格的能力是通过 ztunnel 和 waypoint proxy 提供的，应用和网格组件的部署和升级不再相互依赖。

另外，Ambient共享模式可以大大减少网格组件本身的资源开销，这一点对资源敏感的用户来说是一个巨大的福音。

Ambient仍然处于预览状态，许多特性仍然在开发中，在官方文档中已经列出不少限制，此外，社区用户在使用过程中也有新的发现：

• 不支持IPV6

• 与Calico CNI不兼容，因为Ambient创建的iptables与Calico冲突。

同时，目前基于 envoy 的 ztunnel 在 xDS 效率、多租户、遥测方面可能存在性能问题，未来可能会基于rust重写一个更加轻量、高性能的ztunnel。

长期来看，Sidecar模式依然会是Istio的主流模式。Ambient共享模式为Istio社区或者服务网格业界带来了足够的刺激，相信基于社区所有开发者的共同努力，Ambient共享模式将会成为Istio的第二选择。

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