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云原生负载均衡和网关应用实践

作者|王师,火山引擎云原生研发工程师

引言

在开始进入正题之前大家可以先思考这么一个问题:为什么我们需要网关?假设现在有这样一个场景:需要实现一个简单的 shopping app,里面包含商品列表、用户管理、订单系统等一系列功能。刚开始我们肯定是会用一个简单的单体应用来实现这些功能。如果是多副本运行,可以通过一个负载均衡暴露出去。

image.png 但随着系统组件的发展和功能的强化,一个小的单体已经无法承载功能的扩展性。这时我们会将某些子功能拆离出去,作为单独的应用来开发和管理,前面可以放置一个负载均衡 Nginx 反向代理来做服务暴露。

image.png 这时如果有更多的需求,会考虑鉴权、安全性以及流量控制等功能。如果在每一个子系统上都实现这些功能,反而增加了业务的负担,不能让业务开发集中于业务逻辑上。因此就需要引入 API Gateway,将所有通用功能和负载均衡的功能集中到 Gateway 层面。比如图示的 API Gateway 就可以实现鉴权、安全防护、日志管理、负载均衡、监控等功能。

image.png 这里简单介绍了 Gateway 的来源。假设现在我们要将 shopping app 的应用运行在 Kubernetes 上,服务是如何暴露的?又该如何使用 Kubernetes 来有效管理网关?这就是本文要介绍的内容。

Kubernetes 如何对外提供服务?

Kubernetes Service Model

Kubernetes 提供了 Service API,通过基本的负载均衡来暴露内部的应用。其实现方式是 Kubernetes 集群的每个节点上会运行 kube-proxy 组件来 watch Service、Endpoint 等资源,根据 Service 的配置创建转发规则。kube-proxy 常用 iptables、IPVS 的模式。

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上图是 iptables 模式的大致流程。kube-proxy 如果 watch 到 service,就会配置 ClusterIP 转到后端 Pod IP 的 iptables 规则。如果是多副本,内部的简单实现是一个随机的负载均衡算法。iptabels 的简单流程:service 提供了 ClusterIP,在集群内部访问 clusterIP 时,通过 iptables 的规则就可以将流量转发到后端的 Pod IP 上。

Kubernetes 提供的 Service 我们主要使用三种类型:

  • ClusterIP:常见的 Service,提供内部访问的方式,比如内部的 Pod 可以通过 clusterIP 访问到其关联的服务。也可以通过内部的域名来访问。

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  • NodePort Service:在 ClusterIP 的基础上,通过暴露节点上的端口(通常默认的是 3 万多的端口)来进行服务的暴露。如下图所示的,每个节点上会开启一个端口,可以通过访问节点 IP 加端口的方式访问其在内部关联到的服务中的 Pod。

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  • LoadBalancer Service:在 NodePort Service 基础上做了进一步的功能提升,同样的开放节点端口暴露服务,但需要外部负载均衡提供商提供负载均衡实例进行流量访问控制。

NodePort Service 和 LoadBalancer Service 提供了外部访问集群的能力,但它们有一些局限性,比较明显的是需要和节点上的端口绑定,即服务和端口几乎是要一一对应来做服务的暴露。当服务量很大的时候,对端口的管理及端口的承载能力来说都不是很友好。

Ingress

Kubernetes 还提供了另外一个 API:Ingress。Ingress API 是实现外部访问集群服务的入口,尤其是对内部的 HTTPS、HTTP 服务。

image.png 示例是一个简单的 Ingress 配置。上面有规则配置的一条 host,path 路径关联后端的 default namespace 下的 service 1。 Ingress API 本身只是一个 API,Kubernetes 自带的组件并没有实现这个 Ingress,而是由社区实现的 Ingress Controller 实际来做 Ingress 流量的转发。

image.png 上图是社区实现的 Ingress Controller,基于 Nginx 实现流量转发。简单的实现逻辑是 Controller watch 集群中的 Ingress 资源,根据 Ingress 上的配置来生成 Nginx 配置,热重启之后就可以使转发规则生效。

同时,可以通过在外部放置一个 LB 将入口流量转发到 Ingress Controller,这样就实现了内部服务的暴露,可以通过域名解析到 VIP 上,访问域名的路径就可以访问到内部服务。

Ingress API 带来的启发

Ingress API 的设计给我们带来了一些启发。如果要暴露内部的服务,或者使用网关来管理服务,需要解决三个问题:

  • 定义类 Ingress 的 API,当然也可以使用原生的 Ingress API,它可以实现配置路径转发端口及后端的协议,以及负载均衡、鉴权等功能。
  • 实现 Ingress API 的 Controller,负责实际流量的转发控制。它类似于前面提到的社区版 Ingress Controller,可根据 API 的配置生成实际的转发配置。这样即可实现 API 的精细化管理。
  • 打通外部访问。通常会使用外部 LB 作为流量入口。

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以上是 Ingress API 给我们带来的一些启发。如果需要做网关管理,可以参考这个思路。

社区主流网关分析

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上图是一些社区实现的 Nginx Ingress。Kong 是基于 Nginx 做了二次开发的网关,其官称是 API Gateway 的实现。其他还有基于 Envoy、Ambassador、Contour、Gloo、HAProxy 的网关实现,以及面向 Service Mesh 的 Istio、Traefik。

下图是从 CNCF 的调查报告里收集的一些数据。目前来说,基于 Nginx 的数据面转发还是占主流,因为 Nginx 已经使用了相当长一段时间,大家比较熟悉,而且性能也比较好。

image.png Envoy 最近势头比较猛,逐渐会被大家接受。Envoy 在一些性能的 benchmark 上也超过了其他的 Proxy 。

下面的表格是社区提供的不同 Ingress Controller 的对比,对比项涵盖支持协议、路由匹配方式、分流、灰度、蓝绿、负载均衡算法、认证等方面。大家可以参考这个表格,根据自己的需求选择合适的 Ingress Controller。

image.png 下面介绍基于 Nginx 和 Envoy 的几个 Ingress Controller 的设计。

Nginx-Based Ingress Controller

首先是大家比较熟悉的 Kubernetes ingress-nginx controller。它是一个内置的 Nginx,对接原生的 Ingress API。主要的逻辑是 Controller 去 watch Ingress、Endpoint 等资源,根据 Ingress 的配置或者后端 Endpoints 的变化来动态调整 Nginx 的配置,使流量转发的配置生效。

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Ingress
metadata:
 annotations:
   ingress.kubernetes.io/backend-protocol: HTTP
   ingress.kubernetes.io/enable-cors: "true"
   ingress.kubernetes.io/limit-connections: "5"
   ingress.kubernetes.io/limit-rps: "6"
   ingress.kubernetes.io/load-balance: round_robin
   ingress.kubernetes.io/secure-backends: "false"
   kubernetes.io/ingress.class: kube-system.lbtest
 name: test3
 namespace: test
spec:
 rules:
 - host: test.com
   http:
     paths:
     - backend:
         serviceName: lbtest
         servicePort: 80
       path: /
复制代码

上面是一个简单的 Ingress 配置。可以看到,Spec 里可以配置 host、path、后端 Service,其他很多扩展性功能都是通过 annotation 来实现的。这里我们可以配置后端、backend protocol、跨域访问以及限流等负载均衡算法。 Kubernetes ingress-nginx controller 的 annotation 可能多达上百个,这对我们来说实在不友好。但是它相对来说比较成熟,目前使用的人还是比较多的。

Kong Ingress Controller

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Kong Ingress Controller 是真正为 API Gateway 而设计的,基于 Nginx 做了深度的二次开发,可以做很多扩展性的功能,比如支持自研 Plugin,内置之后可以从外部通过 API 来使用 Plugin,而从进行更精细化的 API 管理。

Kong Ingress 在 Kubernetes 上也实现了 Ingress Controller, 其实现逻辑也是 watch Ingerss 资源,自定义 KongIngress、KongPlugin 等资源来进行配置,将这些资源上的配置通过 API 调用转化成 Kong 的配置。

Kong Ingress Controller 的流量访问是从外部直接访问 Kong,而不是访问 Controller 来做流量转发。

Kong Ingress 也有一些特点,它不像 nginx-ingress 那样 annotation 比较多,但是有很多 KongPlugin 可以进行扩展,根据个性化需求来选择。由于 KongPlugin 自由度比较高,管理起来相对比较复杂。

Envoy-Based Ingress Controller

Contour 是 CNCF 旗下的项目,也是最近比较火的基于 Envoy 的 Ingress Controller。它没有直接基于 Kubernetes Ingress 原生的 API 来做 Ingress 功能,自定义了一个 HTTPProxy 的 CRD,其配置可以在 Spec 里实现。Contour 在 Kubernetes 上的架构如下图所示。

image.png Contour 也有 Controller 来负责 watch 集群中的资源,将这些资源转化成 Envoy 认知的一些配置,并通过 XDS 协议配置到 Envoy。Envoy 本身可以通过负载均衡器暴露出去,当从外部通过域名 IP 访问内部应用服务时,根据内部 Host 配置转发到对应的应用上。

网关应用场景

为什么会介绍到这几个 Ingress Controller? 因为我们的 PaaS 场景比较特殊,需要根据用户不同的需求做适配。我们涉及的一些场景包括:

  • 场景一:用户在本地搭建集群,没有外部的负载均衡,期望使用 Nginx 做 Proxy,对 API 的控制不高。
  • 场景二:部分用户比较激进,会尝试一些新技术,比如使用 Envoy 做转发,对网关来说有一些简单的需求,比如限流、白名单等。
  • 场景三:有些用户集群部署在云上,可以使用云上的 LB,希望使用 Kong 做 Proxy,对网关有限流、白名单等需求。
  • 场景四:有一些云上的集群想使用 Envoy 来做转发,对网关也有限流、白名单等需求。

社区提供了一些已有资源来管理网关,比如 Ingress API、Ingress Controller 已经比较成熟。但是如果要在 Kubernetes 上管理网关,还需要解决如下问题:

  • Ingress Controller 及其数据面的部署管理;
  • 不同 Ingress API 的生命周期的管理;
  • 外部负载均衡的维护。

下面会从我们的经验来介绍 PaaS 平台管理网关和 Ingress API 的实践。

网关管理实践

网关管理架构

在 Kubernetes 上是通过 CRD API 做网关管理的。我们定义了两个资源:

  • Gateway CRD:定义使用何种类型的 Load Balancer 来做流量入口,选择何种类型的 Ingress Controller 以及启动配置。
  • TrafficRoute CRD:用于 Ingress API 管理。可指定该配置适用于哪个 Ingress Controller,支持配置路由匹配策略、通过内置 Plugin 列表可自由配置网关功能。

其他基本的组件有:

  • LoadBalancer Operator:根据 Gateway 配置创建云上 Load Balancer 或者部署本地 Load Balancer(IPVS)。
  • Proxy Operator:维护 Ingress Controller 所属资源的生命周期。
  • Route controller:根据 TrafficRoute 转换为匹配的第三方 Ingress API,并维护其生命周期。

整个网关管理的架构如下图所示:

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管理 Load Balancer 和 Ingress Controller

管理 Load Balancer 和 Ingress Controller 主要介绍两个场景。 非云场景 非云场景下我们主要是考虑到集群内部没有前置的 Load Balancer,需要一个 Load Balancer Provider。我们会基于 IPVS 或 Keepalive 实现内部的负载均衡,或者使用开源的 Metalb 来做前置的四层负载均衡。Ingress Controller 通过 LoadBalancer Service 将 LoadBalancer 和 Ingress Controller 关联起来,这样流量访问前置 LB 的 VIP 时就可以转发到后端 Ingress Controller。 这种方法适用于私有集群场景,无 Load Balancer。

image.png 云场景 在云上可以使用云提供的 Load Balancer,相对来说比较简单。目前基本上所有的云都实现了Cloud Provider 来对接 LoadBalancer Service 资源,相当于创建 LoadBalancer Service 就会自动在云上拉起 LB,将 Node 节点配置到云上 LB 后端池。云场景下重点在于管理内部的 Ingress Controller。

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社区 Gateway API

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Gateway API 原来叫做 Service API,可以集成 Kubernetes 的 NetworkService。它的特点在于是以角色来分层的,如上图所示它分了 3 个主要的角色:

  • Infrastructure Provider:基础设施的提供者,对整个集群进行管理,决定可以使用哪些 Gateway。
  • Cluster Operator:运营者的角色,可以根据需求创建具体的 Gateway 实例进行管理。
  • 应用开发者:这个角色是真正的使用者,可以使用 HTTPRoute 来关联后端 Service,并且配置 Service 的暴露方式。

Gateway API 实现了 Ingress 的功能,并且通过扩展还可以管理整个 Gateway 生命周期。 Ingress 本身对 HTTP 支持比较友好。Gateway 不只是针对 HTTP,还可以支持各种类型的后端协议 API。相比较 Ingress annotation 来说这种方式来说更直观一些,内部的很多配置可以通过 Spec 清晰地了解其功能。另外 Gateway API 扩展性比较强,支持扩展到第三方 API。

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上图展示了 Gateway API 的几个主要资源:

  • GatewayClass:定义一类 Gateway,指定其使用的 Controller;
  • Gateway:Gateway 实例,包含 Listener 等配置、Route 选择规则。可以是 Cloud Load Balancer、APP Gateway、Ingress Controller 等实现。
    • Route:HTTP、TCP、UDP 等 Route,HTTPRoute 类似 Ingress 可配置路由规则等。

目前 Gateway API 还在发展过程中,支持 Gateway API 的 Ingress Controller 还比较少。Contour 已经开始支持 Gateway API,其内部由 Controller 来做规则转发,并且提供 Contour Operator 来实现 Gateway 的部署。

总结与展望

本文的 key take-away:

  • Kubernetes 提供了多种服务暴露的方式,如 NodePort、Load Balancer、 Ingress 等,可根据不同的需求进行选择。
  • Ingress API 是目前主要的暴露方式,社区里有各种 Ingress Controller 的实现,使用起来也比较方便。
  • 基于 Envoy 的 Ingress Controller 逐渐被大家接受,Envoy 本身也是云原生的负载均衡。但是 Nginx 目前仍然是主流,从 Nginx 转到 Envoy 还存在很大的技术壁垒。个人依然看好 Envoy,它的性能也比较优越。
  • Gateway API 是新的暴露服务的方式,将会更适合未来的使用趋势,但还很年轻,支持 Gateway API 的 Ingress Controller 还不是很多(Contour 是其中之一)。

Q&A

Q:面对数量很多转发和重写规则的 Ingress 的情况,有没有好一些的办法管理这些 Ingress。

A:TrafficRoute 也是来做 Ingress 管理的,刚才提到这种 rewrite,因为我们的 TrafficRoute 可以配置不同的规则,可以将所有相关联的 Ingress 配置到同一个 TrafficRoute 上转化成多个 Ingress。对于原生的 Kubernetes Ingress API 的灰度,需要创建多个 Ingress 实例,我们可以集中到 TrafficRoute 上来做管理。

Q:如何监控网关的指标?

A:目前来说社区的 Ingress Controller 一般都会去做指标的暴露。我们会直接对接 Prometheus,可以实现整个网关的指标监控,还可以根据自己的需求聚合指标。

Q:Ingress 使用 80 / 443 还有其他端口,是直接修改 ingress.yaml,添加多个端口吗?

A:七层的 80 / 443 端口是我们常用的。如果是七层端口,可以在启动 Ingress Controller 时配置不同的端口然后选择你想用的端口;如果是四层,ingress-nginx controller 可以通过 configmap 来配置其他的四层端口的转发。

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