ztunnel 流量重定向

在 Ambient 模式的上下文中，流量重定向指的是一项数据平面功能， 该功能拦截发送到和来自启用 Ambient 的工作负载的流量， 并通过处理核心数据路径的 ztunnel 节点代理将其路由。 有时也使用术语流量捕获。

Ambient 模式目前处于 Alpha 阶段。

请勿在生产环境中使用 Ambient 模式， 务必先行斟酌特性阶段定义再行使用 Ambient。

特别是，在 Alpha 版本中存在已知的性能、稳定性和安全问题。 还有计划中的重大变更，包括一些会阻止升级的变更。

这些限制将在 Ambient 模式转入 Beta 版之前得到解决。

本指南中描述的方法首次包含在 Istio 1.21.0 版本中， 并替换之前的方法。

Istio 的 in-Pod 流量重定向模型

Ambient 模式 in-Pod 流量重定向的核心设计原则是 ztunnel 代理能够在工作负载 Pod 的 Linux 网络命名空间内执行数据路径捕获。 这是通过 istio-cni 节点代理和 ztunnel 节点代理之间的功能协作来实现的。该模型的一个主要优点是， 它使 Istio 的 Ambient 模式能够与任何 Kubernetes CNI 插件透明地协同工作， 并且不会影响 Kubernetes 网络功能。

下图说明了在启用 Ambient 的命名空间中启动（或添加）新工作负载 Pod 时的事件顺序。

Pod 被添加到 Ambient 网格的流程

istio-cni 节点代理响应 CNI 事件，例如 Pod 创建和删除， 还监视底层 Kubernetes API 服务器的事件，例如添加到 Pod 或命名空间的 Ambient 标签。

istio-cni 节点代理还会安装一个链式 CNI 插件， 该插件在 Kubernetes 集群中的主流 CNI 插件执行后由容器运行时执行。 其唯一目的是当容器运行时在已经以 Ambient 模式注册的命名空间中创建新的 Pod 时通知 istio-cni 节点代理，并将新的 Pod 上下文传播到 istio-cni。

一旦 istio-cni 节点代理收到通知需要将 Pod 添加到网格中 （如果 Pod 是全新的，则来自 CNI 插件；如果 Pod 已在运行但需要添加， 则来自 Kubernetes API 服务器），将被执行以下操作序列：

  • istio-cni 进入 Pod 的网络命名空间并建立网络重定向规则， 以便拦截进入和离开 Pod 的数据包并透明地重定向到在已知端口 （15008, 15006, 15001）上侦听的节点本地 ztunnel 代理实例。

  • 然后，istio-cni 节点代理通过 Unix 域套接字通知 ztunnel 代理， 它应该在 Pod 的网络命名空间内建立本地代理侦听端口（在端口 15008、15006 和 15001 上）， 并为 ztunnel 提供代表 Pod 网络命名空间的低级 Linux 文件描述符。

    • 虽然通常套接字是由实际在该网络命名空间内运行的进程在 Linux 网络命名空间内创建的， 但完全可以利用 Linux 的低级套接字 API 来允许在一个网络命名空间中运行的进程在另一个网络命名空间中创建侦听套接字， 假设目标网络命名空间在创建时已知。

  • 节点本地 ztunnel 在内部启动一个新的代理实例和侦听端口集，专用于被新添加的 Pod。

  • 一旦 in-Pod 重定向规则到位并且 ztunnel 建立了侦听端口， Pod 就会被添加到网格中，并且流量开始流经节点本地 ztunnel。

默认情况下，网格中进出 Pod 的流量将使用 mTLS 完全加密。

现在，数据进入和离开 Pod 网络命名空间时将被加密。 网格中的每个 Pod 都能够执行网格策略并安全地加密流量， 即使 Pod 中运行的用户应用程序对此一无所知。

下图说明了新模型中 Ambient 网格中的 Pod 之间的加密流量如何流动：

HBONE 流量在 Ambient 网格中的 Pod 之间流动

Ambient 模式下流量重定向的观测与调试

如果流量重定向在 Ambient 模式下无法正常工作， 可以进行一些快速检查以帮助缩小问题范围。要演示实际的流量重定向， 请首先按照 ztunnel Layer 4 网络指南中描述的步骤进行操作， 包括在 Kubernetes 集群中部署启用 Ambient 模式的 Istio， 以及在已被标记为 Ambient 模式的命名空间中部署 httpbin 和 sleep。 验证应用程序在 Ambient 网格中成功运行后，您可以使用以下步骤来观察流量重定向。

检查 ztunnel 代理日志

当应用程序 Pod 是 Ambient 网格的一部分时， 您可以检查 ztunnel 代理日志以确认网格正在重定向流量。 如下例所示，与 inpod 相关的 ztunnel 日志表明已启用 Pod 内重定向模式， 代理已收到有关 Ambient 应用程序 Pod 的网络命名空间（netns）信息，并已开始为其代理。

  1. $ kubectl logs ds/ztunnel -n istio-system  | grep inpod
  2. Found 3 pods, using pod/ztunnel-hl94n
  3. inpod_enabled: true
  4. inpod_uds: /var/run/ztunnel/ztunnel.sock
  5. inpod_port_reuse: true
  6. inpod_mark: 1337
  7. 2024-02-21T22:01:49.916037Z  INFO ztunnel::inpod::workloadmanager: handling new stream
  8. 2024-02-21T22:01:49.919944Z  INFO ztunnel::inpod::statemanager: pod WorkloadUid("1e054806-e667-4109-a5af-08b3e6ba0c42") received netns, starting proxy
  9. 2024-02-21T22:01:49.925997Z  INFO ztunnel::inpod::statemanager: pod received snapshot sent
  10. 2024-02-21T22:03:49.074281Z  INFO ztunnel::inpod::statemanager: pod delete request, draining proxy
  11. 2024-02-21T22:04:58.446444Z  INFO ztunnel::inpod::statemanager: pod WorkloadUid("1e054806-e667-4109-a5af-08b3e6ba0c42") received netns, starting proxy

确认套接字的状态

按照以下步骤确认端口 15001、15006 和 15008 上的套接字已打开并处于侦听状态。

  1. $ kubectl debug $(kubectl get pod -l app=sleep -n ambient-demo -o jsonpath='{.items[0].metadata.name}') -it -n ambient-demo  --image nicolaka/netshoot  -- ss -ntlp
  2. Defaulting debug container name to debugger-nhd4d.
  3. State  Recv-Q Send-Q Local Address:Port  Peer Address:PortProcess
  4. LISTEN 0      128        127.0.0.1:15080      0.0.0.0:*
  5. LISTEN 0      128                *:15006            *:*
  6. LISTEN 0      128                *:15001            *:*
  7. LISTEN 0      128                *:15008            *:*

检查 iptables 规则设置

要查看应用程序中一个 Pod 内的 iptables 规则设置，请执行以下命令：

  1. $ kubectl debug $(kubectl get pod -l app=sleep -n ambient-demo -o jsonpath='{.items[0].metadata.name}') -it --image gcr.io/istio-release/base --profile=netadmin -n ambient-demo -- iptables-save
  3. Defaulting debug container name to debugger-m44qc.
  4. # Generated by iptables-save v1.8.7 on Wed Feb 21 20:38:16 2024
  5. *mangle
  6. :PREROUTING ACCEPT [320:53261]
  7. :INPUT ACCEPT [23753:267657744]
  8. :FORWARD ACCEPT [0:0]
  9. :OUTPUT ACCEPT [23352:134432712]
  10. :POSTROUTING ACCEPT [23352:134432712]
  11. :ISTIO_OUTPUT - [0:0]
  12. :ISTIO_PRERT - [0:0]
  13. -A PREROUTING -j ISTIO_PRERT
  14. -A OUTPUT -j ISTIO_OUTPUT
  15. -A ISTIO_OUTPUT -m connmark --mark 0x111/0xfff -j CONNMARK --restore-mark --nfmask 0xffffffff --ctmask 0xffffffff
  16. -A ISTIO_PRERT -m mark --mark 0x539/0xfff -j CONNMARK --set-xmark 0x111/0xfff
  17. -A ISTIO_PRERT -s 169.254.7.127/32 -p tcp -m tcp -j ACCEPT
  18. -A ISTIO_PRERT ! -d 127.0.0.1/32 -i lo -p tcp -j ACCEPT
  19. -A ISTIO_PRERT -p tcp -m tcp --dport 15008 -m mark ! --mark 0x539/0xfff -j TPROXY --on-port 15008 --on-ip 0.0.0.0 --tproxy-mark 0x111/0xfff
  20. -A ISTIO_PRERT -p tcp -m conntrack --ctstate RELATED,ESTABLISHED -j ACCEPT
  21. -A ISTIO_PRERT ! -d 127.0.0.1/32 -p tcp -m mark ! --mark 0x539/0xfff -j TPROXY --on-port 15006 --on-ip 0.0.0.0 --tproxy-mark 0x111/0xfff
  22. COMMIT
  23. # Completed on Wed Feb 21 20:38:16 2024
  24. # Generated by iptables-save v1.8.7 on Wed Feb 21 20:38:16 2024
  25. *nat
  26. :PREROUTING ACCEPT [0:0]
  27. :INPUT ACCEPT [0:0]
  28. :OUTPUT ACCEPT [175:13694]
  29. :POSTROUTING ACCEPT [205:15494]
  30. :ISTIO_OUTPUT - [0:0]
  31. -A OUTPUT -j ISTIO_OUTPUT
  32. -A ISTIO_OUTPUT -d 169.254.7.127/32 -p tcp -m tcp -j ACCEPT
  33. -A ISTIO_OUTPUT -p tcp -m mark --mark 0x111/0xfff -j ACCEPT
  34. -A ISTIO_OUTPUT ! -d 127.0.0.1/32 -o lo -j ACCEPT
  35. -A ISTIO_OUTPUT ! -d 127.0.0.1/32 -p tcp -m mark ! --mark 0x539/0xfff -j REDIRECT --to-ports 15001
  36. COMMIT

The command output shows that additional Istio-specific chains are added to the NAT and Mangle tables in netfilter/iptables within the application pod’s network namespace. All TCP traffic coming into the pod is redirected to the ztunnel proxy for ingress processing. If the traffic is plaintext (source port != 15008), it will be redirected to the in-pod ztunnel plaintext listening port 15006. If the traffic is HBONE (source port == 15008), it will be redirected to the in-pod ztunnel HBONE listening port 15008. Any TCP traffic leaving the pod is redirected to ztunnel’s port 15001 for egress processing, before being sent out by ztunnel using HBONE encapsulation. 命令输出显示，额外的 Istio 特定链已被添加到应用程序 Pod 网络命名空间内的 netfilter/iptables 中的 NAT 和 Mangle 表中。 所有进入 Pod 的 TCP 流量都会被重定向到 ztunnel 代理进行入口处理。 如果流量是明文（源端口不等于 15008），会被重定向到 in-Pod ztunnel 明文侦听端口 15006。 如果流量是 HBONE（源端口等于 15008），会被重定向到 in-Pod ztunnel HBONE 侦听端口 15008。 任何离开 Pod 的 TCP 流量都会被重定向到 ztunnel 的端口 15001 进行出口处理， 然后由 ztunnel 使用 HBONE 封装发送出去。