关于云原生:如何构建-Sidecarless-模式的高性能服务网格

01 服务网格数据面的演进

以 Istio 为代表的 Service Mesh 技术曾经存在四五年的工夫了，阿里云也是第一批反对 Service Mesh 云服务的厂商。在 Service Mesh 技术中，通过把服务治理的能力进行 Sidecar 化，实现与应用程序自身的解耦。这些若干个 Sidecar 代理就造成了一个网状的数据立体，通过该数据立体能够解决和察看所有应用服务间的流量。负责数据立体如何执行的治理组件称为管制立体。

能够看到，管制立体是服务网格的大脑，它为网格应用人员提供公开 API，以便更容易地操纵网络行为。总之，通过 Service Mesh 技术，Dev/Ops/SRE 将以对立的、申明的形式解决应用服务治理问题。

服务网格作为一种利用感知的云原生基础设施，提供了云原生利用感知的网络管理能力。

网络是 Kubernetes 的外围局部，波及了 Pod 间通信、Pod 和服务间通信以及服务与内部零碎间的通信等。Kubernetes 集群中应用 CNI 插件来治理其容器网络性能，应用 Kube-proxy 保护节点上的网络规定，譬如使发往 Service 的流量（通过 ClusterIP 和端口）负载平衡到正确的后端 Pod。

容器网络成为用户应用 IaaS 网络的新界面，以阿里云 ACK Terway 网络为例，基于阿里云 VPC 网络直通弹性网卡，具备高性能特色；同时无缝地跟阿里云 IAAS 网络对接；

然而，kube-proxy 设置是全局的，无奈针对每个服务进行细粒度管制；而且 kube-proxy 只是专在网络数据包级别上运行。它无奈满足古代应用程序的需要，如应用层流量治理、跟踪、身份验证等。

咱们来看服务网格 Sidecar 代理模式下的云原生利用网络是如何解决这些问题的。服务网格通过 Sidecar 代理将流量管制从 Kubernetes 的服务层中解耦，将代理注入到每个 Pod；并通过管制立体操纵治理这些分布式代理，从而能够更加精密地管制这些服务之间的流量。

那么在 Sidecar 代理下的网络数据包的传输是怎么的过程？

以后 Istio 实现中波及了 TCP/IP 堆栈的开销，它应用了 Linux 内核的 netfilter 通过配置 iptables 来拦挡流量，并依据配置的规定对进出 sidecar 代理的流量进行路由。客户端 pod 到服务器端 pod 之间的典型门路（即便在同一主机内）至多要遍历 TCP/IP 堆栈 3 次（出站、客户端 Sidecar Proxy 到服务器端 Sidecar Proxy、入站）。

为了解决这个网络数据门路问题，业界通过引入 eBPF 绕过 Linux 内核中的 TCP/IP 网络堆栈来实现网络减速，这岂但升高了提早，同时也晋升了吞吐量。当然，eBPF 并不会替换 Envoy 的七层代理能力，在七层流量治理的场景下，依然是 4 层 eBPF + 7 层 Envoy 代理的交融模式。只有针对 4 层流量网络的状况下，跳过代理 pod 间接进入网络接口。

后面讲述的是传统的 Sidecar 代理模式，除此之外，业界开始在摸索一种新型的数据立体模式。它的设计理念是：将数据立体分层，4 层用于根底解决，特点是低资源、高效率；7 层用于高级流量解决，特点是功能丰富，当然须要更多的资源。这样的话，用户能够依据所需性能的范畴，以渐进增量的形式采纳服务网格技术。具体来说：

在 4 层解决中，次要包含：

• 流量治理：TCP 路由
• 平安：面向 4 层的简略受权策略、双向 TLS
• 可观测：TCP 监控指标及日志

在 7 层解决中，则次要包含：

• 流量治理：HTTP 路由、负载平衡、熔断、限流、故障容错、重试、超时等
• 平安：面向 7 层的精细化受权策略
• 可观测：HTTP 监控指标、拜访日志、链路追踪

那么数据面 L4 与 L7 代理的解耦模式下，Service Mesh 的网络拓扑将是什么模式？

一方面，将 L4 Proxy 能力下移到 CNI 组件中，L4 Proxy 组件以 DaemonSet 的模式运行，别离运行在每个节点上。这意味着它是为一个节点上运行的所有 pod 提供服务的共享根底组件。

另一方面，L7 代理不再以 Sidecar 模式存在，而是解耦进去，咱们称之为 Waypoint Proxy，它是为每一个 Service Account 创立的 7 层代理 pod。

4 层和 7 层代理的配置依然放弃通过 Service Mesh 管制面组件来进行下发治理。

总之，通过这种解耦模式，实现了 Service Mesh 数据立体与应用程序之间的进一步解耦拆散。

那么，在 Istio 的具体实现中，能够分为 3 个局部：

• Waypoint 代理 L7 组件齐全独立于利用程序运行，安全性更高；每个身份（Kubernetes 中的服务帐户）都有本人专用的 L7 代理（Waypoint 代理），防止多租户 L7 代理模式引入的复杂度与不稳定性；同时，通过 K8s Gateway CRD 定义触发启用；
• ztunnel 将 L4 解决下沉到 CNI 级别，来自工作负载的流量被重定向到 ztunnel，而后 ztunnel 辨认工作负载并抉择正确的证书来解决；
• 与 Sidecar 模式兼容
• Sidecar 模式依然是网格的一等公民，Waypoint 代理能够与部署了 Sidecar 的工作负载进行本地通信。

不影响应用程序是使 Ambient Mesh 比传统的 Sidecar 模式具备更少侵入性的起因之一。与采纳 Sidecar 模式时必须将 Sidecar 代理注入到每个应用程序部署中相比，Ambient 模式下无需以任何形式重新部署或批改现有应用程序。通过不重新部署和间接批改应用程序，能够无效地升高落地危险并简化采纳 Mesh 的落地曲线。

Ambient Mesh 的设计是非侵入式的，并且仅对存在特定标记的命名空间并使现有应用程序成为 Ambient Mesh 的一部分，能够逐渐采纳。一旦应用程序成为 Ambient Mesh 的一部分，它立刻取得 mTLS 和 L4 可察看性功能。

02 网络 CNI 插件为节点进行网络命名空间配置

Sidecarless 模式中 CNI 插件在两个地位进行网络命名空间的配置，其中一个就是在所处的节点上，另一个是在 ztunnel pod 上。

具体如下：

• 节点：在每个节点上配置网络命名空间，以将进出节点的流量通明地路由到节点，并相应地将其路由到 ztunnel 代理。
• ztunnel：在 ztunnel pod 的网络命名空间中配置路由，将进出流量路由到 ztunnel 代理上的特定端口。

CNI 插件在每个节点上初始化路由并设置 iptables 和 ipset。

留神：与 Sidecar 模式下不同，CNI 插件所做的配置不会间接影响任何工作负载 pod。更改仅在节点网络命名空间和 ztunnel pod 的网络命名空间中进行，与流量重定向机制无关。

网格 CNI 插件为节点进行配置的内容能够分为 4 个局部：

1. 创立名为 ztunnel-pods-ips 的 IP 集(ipset)
2. 由 Mesh CNI 网络插件创立网络接口（Geneve Device）
3. 设置网络接口的参数
4. 设置 iptables、路由表和路由规定具体来说：

1. 创立名为 ztunnel-pods-ips 的 IP 集（ipset）

节点上创立了一个名为 ztunnel-pods-ips 的 IP 集，用于存储以后节点中启用 Ambient 模式的 pod 的 IP 地址。每次增加一个 pod 时，CNI 插件将 pod 的 IP 地址增加到节点上的 ztunnel-pods-ips IP 集 (ipset) 中。

随着 pod 的增加或删除（即它们的 IP 地址发生变化），CNI 插件会让节点上的 ipset 放弃最新。

在节点上能够通过运行 ipset list 命令查看作为 ipset 中的 IP 地址：

通过 kubectl 查看纳入到 Ambient 模式中的本节点下的 Pod 列表，例如：

比照剖析能够看到，在节点 172.17.0.3 上，纳入到 Ambient 模式的 Pod 有 2 个，IP 地址别离为 172.17.0.48 和 172.17.0.66。这 2 个地址也被写入到 ztunnel-pods-ips IP 集 (ipset) 中。

2. 由 Mesh CNI 网络插件创立网络接口（Geneve Device）

在每个节点上，设置了两个虚构网络接口（Geneve Device）– istioin 和 istioout。

由 Mesh CNI 网络插件创立：

执行后面三行的命令后，Linux 零碎会将 IP 地址 192.168.126.1 和子网掩码 255.255.255.252 增加到 istioin 网络接口中，以便该网络接口能够用于与该 IP 地址所在的子网中的其余主机进行通信。而后将 istioin 网络接口启用，以便该网络接口能够用于网络通信和数据传输。网络接口启用后，它能够接管和发送数据包，与其余网络设备进行通信和替换数据。

同样的，前面三行命名执行后，Linux 零碎会将 IP 地址 192.168.127.1 和子网掩码 255.255.255.252 增加到 istioout 网络接口中，以便该网络接口能够用于与该 IP 地址所在的子网中的其余主机进行通信。而后将 istioout 网络接口启用，以便该网络接口能够用于网络通信和数据传输。网络接口启用后，它能够接管和发送数据包，与其余网络设备进行通信和替换数据。

在 Linux 零碎中，网络接口启用后通常会被标记为“UP”状态，能够通过 ip link show 命令查看网络接口的状态信息。例如，在节点上运行命令 ip link show，显示网络接口的链路层信息，能够失去相似如下内容：

• 联合节点上的 iptables 规定和路由表，确保来自 ambient pods 的流量被拦挡，并依据方向（入站或出站）别离发送到 istioout 或 istioin。
• 应用上面的命令显示网络接口的网络层信息，能够查看节点上 istioin 网络接口的详细信息：

• 发送到这些接口的数据包最终会达到在同一节点上运行的 ztunnel pod 的 pistioout 或 pistioin。
• 应用上面的命令查看节点上 istioout 网络接口的详细信息，能够看到对应于同一节点上 ztunnel pod 的 IP 地址。

3. 设置网络接口的参数

• 将网络接口的 rp_filter 参数设置为 0，敞开反向门路过滤，绕过数据包源 IP 地址的校验；
• 将网络接口的 accept_local 参数设置为 1，以承受本地生成的数据包；

4. 设置 iptables、路由表和路由规定

节点上的另一个更改是 iptables 链，它将数据包从现有的表（NAT 和 MANGLE）中的规范链（例如 PREROUTING，OUTPUT 等）重定向到自定义的 ztunnel 链。如下图所示：

具体来说，对应执行如下命名：

此外，通过执行如下命令，用于在 mangle 表和 nat 表中为自定义链 ztunnel-PREROUTING、ztunnel-FORWARD、ztunnel-INPUT、ztunnel-OUTPUT 和 ztunnel-POSTROUTING 增加一些规定，具体含意如下：

以及用于在 mangle 表中的自定义链 ztunnel-PREROUTING 中增加一些规定，具体含意如下：

任何标记为 0x100/0x100 的数据包（即来自 Ambient pod）依据对应的路由表中的规定进行路由。创立这些路由表所须要执行的命令如下：

• 要查看路由表 100，请运行上面的命令：

• 要查看路由表 101，请运行上面的命令：

具体形容如下：

• 路由表项 default via 192.168.127.2 dev istioout：默认路由，通过 istioout 接口将流量发送到 IP 地址 192.168.127.2（ztunnel 上的 pistioout）。
• 路由表项 172.17.0.59 dev cali9af644900ca scope link：任何发送到 172.17.0.59 的流量（即 ztunnel pod 的 IP 地址）应间接通过虚构接口（calixxxx）发送。
• istioout 接口（192.168.127.1）应用 GENEVE 隧道连贯到在同一节点上运行的 ztunnel 上的接口 pistioout（IP 为 192.168.127.2）。也就是说，当通过 istioout 接口向 192.168.127.2 发送申请，数据包将最终达到称为 pistioout（留神前缀 p）的 ztunnel 出站接口，从而通过 ztunnel 路由网格中的 pod 的出站流量。
• 要查看路由表 102，请运行上面的命令：

• 第一行：所有目标 IP 地址不在本地子网中的数据包都会被路由到指定的下一跳路由器，该数据包会通过 ZTUNNELINTERFACE 网络接口发送到下一跳路由器（地址为 ZTUNNELINTERFACE 网络接口发送到下一跳路由器（地址为{ZTUNNEL_INTERFACE} 网络接口发送到下一跳路由器（地址为 {ZTUNNEL_IP}）。
• 第二行：所有目标 IP 地址为 ZTUNNELIP 的数据包都会被路由到指定的下一跳路由器，该数据包会通过 ZTUNNELIP 的数据包都会被路由到指定的下一跳路由器，该数据包会通过{ZTUNNEL_IP} 的数据包都会被路由到指定的下一跳路由器，该数据包会通过 {ZTUNNEL_INTERFACE} 网络接口发送到下一跳路由器，该路由器位于本地网络中，不须要通过其余路由器进行转发。

配置 IP 路由规定

• ztunnel-pods-ips IP 集作为 iptables 规定的一部分，IP 地址会相应地被标记。例如，如果数据包来自 Ambient Pod，并通过 istioout 接口重定向到 ztunnel，则会应用 0x100/0x100 标记数据包。
• 在节点上能够应用 ip rule list 命令查看如何应用不同的标记设置路由表：

• 对应的增加命令如下：

具体来说，对于标记为 0x200/0x200 的数据包，跳转到主路由表（编号为 32766）进行路由。

对于标记为 0x100/0x100 的数据包，在路由表 101 中查找路由信息进行路由。

对于标记为 0x040/0x040 的数据包，在路由表 102 中查找路由信息进行路由。

将路由表 100 作为本地主机的默认路由表。

出站标记以及数据包标记的阐明如下：

Ambient 网格外部 Pod 的流量申请所通过的数据包流向，大抵如下：

• Ambient 模式下的利用 Pod 会被 CNI 插件将其 IP 地址写入到 ipset 中，当发动申请时，流量数据包进入到该节点上对应的 veth 接口。
• 数据包来自 Ambient Pod，会被 iptables 拦挡。
• 应用 0x100/0x100 标记数据包，并进入到 istioout 网络接口。
• 通过 istioout 接口将流量通明劫持到 pistioout 网络接口，其中 pistioout 用于接管 Geneve 隧道中的发来的数据包。

03 网格 CNI 插件为 ztunnel Pod 配置网络命名空间

网格 CNI 插件为 ztunnel Pod 进行配置的内容能够分为 3 个局部：

1. 由 Mesh CNI 网络插件创立网络接口（Geneve Device）
2. 设置网络接口的参数
3. 为 ztunnel pod 设置 iptables、路由表和路由规定

具体来说：

1. 由 Mesh CNI 网络插件创立网络接口（Geneve Device）

在每个 ztunnel Pod 上，设置了两个虚构网络接口（Geneve Device）- pistioin 和 pistioout。由 Mesh CNI 网络插件在 ztunnel pod 里创立：

在 ztunnel Pod 里运行命令 ip link show，能够失去相似如下内容：

• 应用上面的命令查看 ztunnel Pod 里的 pistioin 网络接口的详细信息：

• 应用上面的命令查看 ztunnel Pod 里的 pistioout 网络接口的详细信息，能够看到对应节点的 IP 地址 172.17.0.3。

2. 设置网络接口的参数

相似地，网格 CNI 插件将为 ztunnel pod 设置网络接口，rp_filter 参数设置为 0，敞开反向门路过滤，绕过数据包源 IP 地址的校验；

3. 为 ztunnel pod 设置 iptables、路由表和路由规定

在 ztunnel pod 上，pistioin 接口接管到的任何内容都会被转发到端口 15008（HBONE）和 15006（纯文本）。

同样，pistioout 接口接管到的数据包最终会达到端口 15001。

ztunnel 还捕捉端口 15053 上的 DNS 申请，以进步网格的性能和可用性。请留神，仅当在 DNS 代理中指定的 ISTIO_META_DNS_CAPTURE 设置为 true 时，才会创立配置到 15053 的路由规定。

• 网格 CNI 插件为 ztunnel Pod 里设置路由表，成果相似如下命令的执行后果：

• 要查看该路由表，请运行上面的命令：

网格 CNI 插件为 ztunnel Pod 里设置 ztunnel Pod 也设置了路由规定，能够应用 ip rule list 命令查看路由规定：

• 对应的增加命令如下：

对应的含意指，当数据包的标记值在 0x400~0xfff 范畴内时，将会匹配这条规定，并将数据包发送到编号为 100 的路由表中进行操作，优先级为 20000。

当数据包的标记值恰好等于 0x4d3~0xfff 范畴内时，将会匹配这条规定，并将数据包发送到编号为 100 的路由表中进行操作，优先级为 20003。

此外，网格 CNI 插件为 ztunnel 配置 iptables，定义如下：

能够看到，iptables 规定应用 TPROXY 标记（0x400/0xfff）标记来自入站或出站隧道的数据包，并将其定向到相应的 ztunnel 入站和出站端口。为什么应用 TPROXY 形式呢？TPROXY 是 Linux 内核的一个性能，容许在传输层通明地拦挡和重定向网络流量，相比之下，应用 REDIRECT 指标批改数据包以更改指标地址。应用 TPROXY，这样申请从 pod 通过隧道到 ztunnel 代理的所有跳跃中，流量的原始源 IP 和端口被保留，容许指标服务器看到原始客户端的 IP 地址和端口。

04 节点与 ztunnel 通过 Geneve 隧道连贯

Geneve（Generic Network Virtualization Encapsulation）是一种网络虚拟化封装（隧道）协定，它的设计的初衷是为了解决以后数据传输不足灵活性和安全性的问题。

Geneve 相较于 VXLAN 封装，具备更加灵便、平安、扩大和运维的特点，实用于更加简单和安全性要求高的虚拟化网络环境。

veth 设施与 netlink 机制之间存在关联。netlink 是 Linux 内核中的一种通信机制，用于内核与用户空间之间的通信。通过 netlink 机制，用户空间能够向内核发送申请，获取网络设备、路由表、套接字等信息，实现网络配置和治理等性能。

在容器化技术中，veth 设施的创立和配置通常是通过 netlink 机制实现的。后面的介绍中提及能够应用以下相似命令创立一个名为 istioin 的 Geneve 设施：

ip link add name istioin type geneve id 1000 remote “${ZTUNNEL_IP}”

其中，type geneve 示意创立一个 Geneve 设施，id 1000 示意设施的虚构网络标识符，remote IP 地址示意设施的近程目标地址。

CNI 插件在每个节点上初始化路由并设置 iptables 和 ipset 规定。在每个节点上，设置了两个虚构接口 – istioin 和 istioout，用于解决节点上的入站 (istioin) 和出站 (istioout) 流量。其中，虚构接口 istioin 和 istioout 的 IP 地址别离为 192.168.126.1 和 192.168.127.1。

这两个接口应用 GENEVE（通用网络虚拟化封装）隧道连贯到在同一节点上运行的 ztunnel pod 的接口 pistioin 和 pistioout 上。其中，虚构接口 pistioin 和 pistioout 的 IP 地址别离为 192.168.126.2 和 192.168.127.2。

联合节点上的 iptables 规定和路由表，确保来自 ambient pods 的流量被拦挡，并依据方向（入站或出站）别离发送到 istioout 或 istioin。发送到这些接口的数据包最终会达到在同一节点上运行的 ztunnel pod 的 pistioout 或 pistioin。

具体来说，应用 Geneve 隧道连贯到节点上的 istioout 接口 —> ztunnel 端的 pistioout 接口，如下所示：

应用 Geneve 隧道连贯到节点上的 istioin 接口 —> ztunnel 端的 pistioin 接口，如下所示：

05 L4 与 L7 的交融及端到端的流量门路

对于仅波及到 4 层申请的业务场景来说，L4 申请解决下的端到端的流量门路如下所示：

1. Ambient 模式下的利用 Pod 会被 CNI 插件将其 IP 地址写入到 ipset 中，当发动申请时，流量数据包进入到该节点上对应的 veth 接口。
2. sleep app pod 的申请被节点上的规定和 iptables 配置捕捉。
3. 因为该 pod 是环境网格的一部分，它的 IP 地址被增加到节点上的 IP 汇合中，并且数据包被标记为 0x100。
4. 节点上的规定指定任何标记为 0x100 的数据包都要通过 istio 进口接口定向到指标 192.168.127.2。
5. ztunnel 代理上的规定通明地代理来自 pistioout 的数据包到 ztunnel 出站端口 15001。
6. ztunnel 解决数据包并将其发送到指标服务（httpbin）的 IP 地址。该地址在节点 B 上为 httpbin 创立专用接口 veth，申请在该接口上被捕捉。
7. 入站流量的规定确保数据包被路由到 istioin 接口。
8. istioin 和 pistioin 之间的隧道使数据包落在 ztunnel pod 上。
9. iptables 配置捕捉来自 pistioin 的数据包，并依据标记将它们定向到端口 15008。
10. ztunnel pod 解决数据包并将其发送到指标 pod。而如果波及到 7 层申请的业务场景来说，端到端的流量门路则减少了 Waypoint Proxy 的局部，如下所示：

在 Waypoint Proxy 中执行的流程如下：

1. 进入到 waypoint proxy 之后，通过流量总入口监听 connect_terminate 接管来自 HBONE 的流量，包含身份认证，HBONE 解包等。而后将流量转给 main_internal 这个主监听器。
2. 主监听器外面有匹配逻辑，依据 service ip + port 来匹配。匹配上之后，执行各种 L7 流量策略。而后转发给对应的 cluster。cluster 并没有把流量间接转发进来，而是转发给了 connect_originate。
3. connect_originate 以 HBONE 的形式，向上游转发数据。

06 Sidecarless 与 Sidecar 模式交融的服务网格

作为业内首个全托管 Istio 兼容的阿里云服务网格 ASM 产品，在不同维度提供了企业级产品性能：

1）在管制面维度，实现了全面托管机制，为用户升高运维复杂度；为数据面提供了对立标准化的接入形式；反对开箱即用的 EnvoyFilter 插件市场，反对 Serverless/Knative 及 AI Serving/KServe 生态等。

2）在数据面维度，反对状态与性能多样化，反对不同状态的计算基础设施，包含 K8s 集群、Serverless ECI 节点、边缘集群、注册集群等；反对不同的数据面网络状态；反对异构服务对立治理、精细化的多协定流量管制与全链路灰度治理。

3）在性能维度，实现软硬一体的端到端网格优化，反对自适应配置推送优化，实现了 AVX 指令集晋升 TLS 加解密、以及资源超卖模式下的反对等。更多内容能够参考：《企业级服务网格优化核心：优化 Service Mesh 以进步性能和高可用性》

近期阿里云服务网格 ASM 产品行将推出业界首个 Sidecarless 与 Sidecar 模式交融的服务网格平台，欢送试用与交换！

能够通过：https://www.aliyun.com/product/servicemesh 查看具体的内容介绍。

作者：王夕宁 阿里云服务网格负责人，以下内容基于 2023 寰球软件工程翻新技术峰会的演讲内容整编而成

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