K8S如何基于Istio实现全链路HTTPS

Istio 简介
- Istio 是什么？
- 为什么选择 Istio？
Istio 的核心概念
- Service Mesh(服务网格)
- Data Plane(数据平面)
- - Sidecar Mode(边车模式)
  - Ambient Mode(环境模式)
- Control Plane(控制平面)
Istio 的架构与组件
- Envoy Proxy
- Istiod
- 其他组件
Istio 的流量管理
- 核心流量管理功能
- - 流量路由
  - 负载均衡
  - 网关控制
  - 重试和熔断
- Istio 资源对象
Istio 的安全性
- 身份与证书管理
- 认证
- 授权
实践：K8s 中开启全链路 HTTPS
- 步骤一：环境准备
- 步骤二：创建 TLS 证书和密钥
- 步骤三：配置 Istio Gateway
- 步骤四：配置 VirtualService
- 步骤五：启用服务间的mTLS
- 步骤六：测试 HTTPS 通信
总结与 Q&A
参考链接

Istio 简介

Istio 是什么？

定义

Istio是一个开源服务网格，可以透明地分层部署在现有的分布式应用程序上。Istio强大的功能提供了一种统一且更高效的方式来保护、连接和监控服务。Istio 是实现负载均衡、服务到服务身份验证和监控的途径——只需更改很少或不需要更改服务代码。

功能

简化服务间通信、增强系统的可观察性和安全性。

在集群中通过双向 TLS 加密、基于身份的强身份验证和授权实现安全的服务到服务通信；
HTTP、gRPC、WebSocket 和 TCP 流量的自动负载均衡；
通过丰富的路由规则、重试、故障转移和故障注入对流量行为进行精细控制；
支持访问控制、速率限制和配额的可插拔策略层和配置 API；
集群内所有流量的自动指标、日志和跟踪，包括集群入口和出口。

为什么选择 Istio？

简单而强大

Kubernetes 具有数百种功能和数十个 API，但您只需一个命令即可开始使用它。我们以相同的方式构建了 Istio。渐进式披露意味着您可以使用一小部分 API，并且仅在需要时转动更强大的旋钮。

而其他"simple service meshes"花了数年时间赶上 Istio 第一天就拥有的功能集。

Envoy 代理

Istio 继承了 Envoy 的所有功能和灵活性(流量管理与控制、监控跟踪、安全性和扩展等)，包括使用 Istio 团队在 Envoy 中开发的 WebAssembly 的世界级可扩展性。

其他

社区强大、定期发布安全补丁等。

Istio 的核心概念

Service Mesh(服务网格)

管理微服务之间的复杂通信。

Data Plane(数据平面)

数据平面是一组代理，用于调解和控制微服务之间的所有网络通信。它们还收集和报告所有网状流量的遥测数据。

Sidecar Mode(边车模式)

将 Sidecar Proxy(如：Envoy 代理) 与在集群中启动的每个 Pod 一起部署，或者与虚拟机上运行的服务一起运行。以捕获流量并提供可观察性和控制能力。

Ambient Mode(环境模式)

使用每个节点的第 4 层代理，以及可选的每个命名空间的 Envoy 代理来实现第 7 层功能。

Ztunnel（Zero Trust Tunnel）：负责所有 L4 层的网络流量，将服务之间的流量进行加密和认证。它是一种“零信任”的隧道，确保服务间流量安全。所有 Pod 会自动将流量导向 Ztunnel。

Waypoint Proxy：可选的 L7 层代理，负责服务的 HTTP 路由、负载均衡、鉴权等操作。它的使用是可选的，只有在需要 L7 功能时才会启用。

Control Plane(控制平面)

控制平面管理和配置数据平面中的代理，如 Istiod。

Istio 的架构与组件

架构

Istio 会拦截所有的网络流量，并且会在每个 pod 上以 sidecar 的形式注入一个智能代理，从而能够应用一组特定的规则。让所有特性生效的代理是由**数据平面(Data Plane)组成的，而数据平面是由控制平面(Control Plane)**动态配置的。

https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/e7da2dc02c8af3c24eb8dabc478bda13.png" alt="Istio 架构演进">

Envoy Proxy

执行数据平面功能，为每个微服务分发的代理。Envoy 代理是唯一与数据平面流量交互的 Istio 组件。

https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/83685ce7dd97f3da57222c20e16ea946.gif" alt="Envoy 是如何实现重试和断路器">

流程说明：

服务 A 发送请求给服务 B 的第一个实例，不过调用失败了；
Envoy Sidecar 会进行重试；（1）
失败的请求返回发起调用的代理；
开启断路器并在随后的请求中调用下一个服务。（2）

Istiod

控制平面的核心组件，Istiod 提供服务发现、配置和证书管理。负责配置和管理数据平面的 Envoy。

Pilot

负责 Istio 数据平面的 xDS 配置管理，具体包括：

服务、配置规则发现

为 Sidecar 提供服务发现、用于智能路由的流量管理功能（例如，A/B 测试、金丝雀发布等）以及弹性功能（超时、重试、熔断器等）。通过提供通用的流量管理模型和服务发现适配器（Service Discovery Adapter），来对接不同平台的适配层。

xDS 配置下发

提供统一的 xDS API，供 Sidecar 调用。将路由规则等配置信息转换为 Sidecar 可以识别的信息，并下发给数据平面。

Citadel

负责安全证书的管理和发放，可以实现授权和认证等操作。

Citadel 并不是唯一的证书管理方式，Istio 当前支持 Citadel、Vault 和 Google 等多种证书管理方式，Citadel 是当前默认的证书管理方式。

Galley

Galley 是 Istio 1.1 版本中新引入的配置管理组件，主要负责配置的验证、提取和处理等功能。其目的是将 Istio 和底层平台（如 Kubernetes）进行解耦。

在引入 Galley 之前，Istio 控制平面的各个组件需要分别对 Kubernetes 资源进行管理，包括资源的配置验证，监控资源配置变化，并针对配置变更采取相应的处理等。

其他组件

Gateway、VirtualService、DestinationRule 等。

Gateway：控制外部流量进入服务网格的入口点，并负责协议、端口及 TLS 等基本设置。

VirtualService：定义流量的路由规则，控制流量如何从 Gateway 或服务之间路由到特定的服务和服务版本。

DestinationRule：定义路由目标的策略和配置，例如负载均衡、连接池、断路器及 mTLS 等，用于流量到达目标服务后进行更细粒度的控制。

Istio 的流量管理

核心流量管理功能

概述

Istio 的流量管理模型源于和服务一起部署的 Envoy 代理。网格内服务发送和接收的所有 data plane 流量都经由 Envoy 代理，这让控制网格内的流量变得异常简单，而且不需要对服务做任何的更改。

流量路由

概述

流量路由功能允许 Istio 根据流量属性（如请求路径、HTTP 头、Cookie 等）将流量引导至特定的服务版本。主要功能包括：

条件路由：可以基于请求内容（如路径、头信息、Cookie）或用户属性，将流量引导到不同的服务版本，实现路径分离和定制化服务体验。

权重路由：可以按比例将流量分配到多个服务版本，支持金丝雀发布、蓝绿部署等场景。

流量镜像：将一部分流量克隆到新的服务版本上，用于测试和监控，但不影响实际用户。

示例

通过 VirtualService 配置 80% 的流量到 v1，20% 到 v2 版本

apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: VirtualService
metadata:name: weighted-routing
spec:hosts:- my-servicehttp:- route:- destination:host: my-servicesubset: v1weight: 80- destination:host: my-servicesubset: v2weight: 20

负载均衡

概述

Istio 支持如下的负载均衡模型，可以在 DestinationRule 中为流向某个特定服务或服务子集的流量指定这些模型：

轮询 (Round Robin)：将流量按顺序轮流分配给不同实例，简单高效(默认)。

最小连接数 (Least Connection)：优先选择连接数最少的实例，适用于高并发环境。

随机选择 (Random)：随机选择实例，避免热点服务。

权重（Weight）：请求根据指定的百分比转发到池中的实例。<