背景介紹

微服務架構帶來的開發便捷性使業務功能的開發週期明顯縮短，通過對於雲計算平台架構的原生優化，讓業務功能的持續集成與交付更為敏捷。但同時微服務架構也引入了服務治理的諸多問題：一個應用由多個服務組成，每個服務有數個實例，每個實例的運行狀態又在實時變化，這些催生了服務間通訊層的出現。通訊層既不與應用程序代碼耦合，又能捕獲到底層環境的動態變化並作出適當的調整，避免業務出現單點故障。

1.ServiceMesh簡介

1.1服務網格(Service Mesh)簡介

服務網絡是一個基礎設施層，用於處理服務間通信。雲原生應用有著複雜的服務拓撲，服務網格負責在這些拓撲中實現請求的可靠傳遞。在實踐中，服務網格通常實現為一組輕量級網絡代理，它們與應用程序一起部署，但對應用程序透明。

從局部看，服務網格技術就是在應用節點上部署代理，應用將請求發給代理，由代理完成點對點的路由轉發。

在上面的圖中，如果把左邊圖中的應用程序去掉，只呈現出來代理和它們之間的調用關係(即右圖)。這時Service Mesh的概念就會清晰：代理和調用關係形成完整的網絡，代表服務間複雜的調用關係，承載著系統內的所有應用。

1.2服務網絡架構特點及優勢

1）點對點通訊：沒有中心瓶頸。

2 ）對應用無入侵：可以支持異構技術產品的集成。同時對應用透明，應用開發不再需要關心複雜的網絡通訊實現，可以專注業務邏輯的實現。

2.Istio及Envoy簡介

Istio是一個由Google，IBM和Lyft團隊合作開發的開源Service Mesh框架。目前已成為ServiceMesh的事實技術標準，被廣泛應用於各個行業的IT架構。

Envoy 是用C++語言開發的高性能代理，其內置服務發現、負載均衡、TLS終止、HTTP/2、GRPC代理、熔斷器、健康檢查，基於百分比流量拆分的灰度發布、故障注入等功能，用於協調服務網格中所有服務的入站和出站流量。

3.Envoy流量管理的原理

3.1Iptables介紹

Istio調用Linux中的iptables進行流量管理。iptables是一個運行在用戶空間的應用軟件，它通過控制Linux內核netfilter模塊，來管理網絡數據包的流動與轉送，實際上netfilter才是防火牆真正的安全框架。netfilter是Linux網絡安全大廈的基石，它提供了一整套鉤子(Hook)函數機制，IP層的5個鉤子點對應了iptables的5個內置鏈條：

• PREROUTING：在此DNAT。
• POSTROUTING：在此SNAT。
• INPUT：处理输入给本地进程的封包。
• OUTPUT：处理本地进程输出的封包。
• FORWARD：处理转发给其他机器、其他网络命名空间的封包。

3.2关于网络入站的IP封包

从网络入站的IP封包，先入TREOUTING链，而后进行路由判断：

1）如果封包路由目的地是本机：则进入INPUT链，然后发给本地进程。

2）如果封包路由目的地不是本机，并且启用了IP转发，则进入FORWARD链，然后通过POSTROUTING链，最后经过网网络接口发走。

3）对于本地进程发往协议栈的封包，则首先通过OUTPUT链，然后通过POSTROUTING链，最后经过网络接口发走。

3.3关于自定义链

除此以外，我们还可以自定义链，但自定义链只能被某个默认的链当做动作去调用才能起作用。

在Kubernetes中Istio通过Admission webhook的机制将Envoy Sidecar自动注入，与应用容器运行于同一个Pod中，这种情况下它们将共享网络名称空间，因此也使用同一个网络协议栈。

Istio 给应用 Pod 注入的配置主要包括：

1）Init 容器 istio-init：用于Pod中设置iptables端口转发。

2） Sidecar 容器 istio-proxy：运行Envoy Sidecar代理。

3.4Iptables配置规则

在容器初始化后，我们进入Sidecar容器切换为root用户，查看配置的iptables规则。

iptables -t nat -S
1.

ISTIO_INBOUND 链：对所有进入Pod但非指定端口(如22)的流量全部重定向至15006端口(Envoy入口流量端口)进行拦截处理。

ISTIO_OUTPUT 链：将由 istio-proxy 用户空间发出且目的地不为localhost的Pod流出流量全部重定向至15001端口(envoy出口流量端口)。其他流量全部直接放行至下一个POSTROUTING链，不用被Envoy拦截处理。

整体流量流向示意图如下图所示:

1）进入Pod的Inbound流量首先被PREROUTING链拦截并处理。

2）当TCP请求进入PREROUTING链时全部交给ISTIO_INBOUND处理。

-A PREROUTING -p tcp -j ISTIO_INBOUND
1.

3）请求目标端口非15008/22/15090/15021/15020的TCP请求全部交给ISTIO_IN_REDIRECT处理。

-A ISTIO_INBOUND -p tcp -j ISTIO_IN_REDIRECT
1.

4）将发送到此的TCP请求全部重定向至15006端口(Envoy入口流量端口)

-A ISTIO_IN_REDIRECT -p tcp -j REDIRECT --to-ports 15006
1.

5）在Envoy内部处理后，决定将数据包转发到应用，这一步对Envoy来说属于出口流量，会被netfilter拦截转发至出口流量OUTPUT链。

6）出站请求，当TCP请求进入OUTPUT链时全部交给ISTIO_OUTPUT处理。

-A OUTPUT -p tcp -j ISTIO_OUTPUT
1.

7）匹配出站请求对应规则，请求本地服务，出口为lo网卡同时来自istio-proxy用户空间，流量返回到它的调用点中的下一条链执行，即POSTROUTING链 。

-A ISTIO_OUTPUT -m owner --uid-owner 1337 -j RETURN -A ISTIO_OUTPUT -m owner 
--gid-owner 1337 -j RETURN
1.
2.

8）Sidecar发出的请求到达目标应用。

9）目标应用处理完业务逻辑后响应Sidecar，这一步对应用来说属于出口流量，再次被netfilter拦截转发至出口流量OUTPUT链。

10） 出站请求，当TCP请求进入OUTPUT链时全部交给ISTIO_OUTPUT处理。

-A OUTPUT -p tcp -j ISTIO_OUTPUT
1.

11）请求下一个服务/响应请求，即请求非本地服务同时不来自istio-proxy用户空间，流量被转发至ISTIO_REDIRECT链。

-A ISTIO_OUTPUT -j ISTIO_REDIRECT
1.

12）将重定向于此的TCP协议请求流量全部重定向至15001端口(Envoy出口流量端口)。

-A ISTIO_REDIRECT -p tcp -j REDIRECT --to-ports 15001
1.

13）在Envoy内部处理后，决定将数据包对外转发，这一步对Envoy来说属于出口流量，会被netfilter拦截转发至出口流量OUTPUT链。

14）出站请求，当TCP请求进入OUTPUT链时全部交给ISTIO_OUTPUT处理。

-A OUTPUT -p tcp -j ISTIO_OUTPUT
1.

15）请求非本地的服务，出口不为lo网卡同时来自istio-proxy用户空间则跳过了ISTIO_REDIREC处理，直接RETURN到下一个链，即POSTROUTING链

-A ISTIO_OUTPUT -m owner --uid-owner 1337 -j RETURN -A ISTIO_OUTPUT -m owner 
--gid-owner 1337 -j RETURN
1.
2.

16）POSTROUTING链处理完成后，根据路由表选择合适的网卡发送Outbound流量。

4.总结

Envoy的核心工作内容在于对业务透明的请求拦截，将所有进出流量进行管理。对拦截的请求进行一定的规则进行安全访问控制、接入控制、流量控制等诸多方面处理后，发送给应用程序。通过使用Envoy，可以使开发者专注于应用功能的开发，不用考虑复杂的网络通讯。