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  • Istio 数据平面 Pod 启动过程详解

本文将为你讲解 Istio 的 Init 容器、Pod 内部进程及启动过程。

  • 日期 :2022年5月12日
  • 分类 : Istio
  • 字数 :2732 字
  • 阅读大约需要 :12 分钟

本文将为你讲解:

  • Istio 中 sidecar 自动注入过程
  • Istio 中的 init 容器启动过程
  • 启用了 Sidecar 自动注入的 Pod 的启动流程

下图中展示了 Istio 数据平面中的 Pod 启动完后的组件。

Istio 数据平面 Pod 内部组件
Istio 数据平面 Pod 内部组件

Istio 中的 sidecar 注入

Istio 中提供了以下两种 sidecar 注入方式:

不论是手动注入还是自动注入,sidecar 的注入过程都需要遵循如下步骤:

  1. Kubernetes 需要了解待注入的 sidecar 所连接的 Istio 集群及其配置;
  2. Kubernetes 需要了解待注入的 sidecar 容器本身的配置,如镜像地址、启动参数等;
  3. Kubernetes 根据 sidecar 注入模板和以上配置填充 sidecar 的配置参数,将以上配置注入到应用容器的一侧;

使用下面的命令可以手动注入 sidecar。

istioctl kube-inject -f ${YAML_FILE} | kuebectl apply -f -

该命令会使用 Istio 内置的 sidecar 配置来注入,下面使用 Istio详细配置请参考 Istio 官网

注入完成后您将看到 Istio 为原有 pod template 注入了 initContainer 及 sidecar proxy相关的配置。

Init 容器

Init 容器是一种专用容器,它在应用程序容器启动之前运行,用来包含一些应用镜像中不存在的实用工具或安装脚本。

一个 Pod 中可以指定多个 Init 容器,如果指定了多个,那么 Init 容器将会按顺序依次运行。只有当前面的 Init 容器必须运行成功后,才可以运行下一个 Init 容器。当所有的 Init 容器运行完成后,Kubernetes 才初始化 Pod 和运行应用容器。

Init 容器使用 Linux Namespace,所以相对应用程序容器来说具有不同的文件系统视图。因此,它们能够具有访问 Secret 的权限,而应用程序容器则不能。

在 Pod 启动过程中,Init 容器会按顺序在网络和数据卷初始化之后启动。每个容器必须在下一个容器启动之前成功退出。如果由于运行时或失败退出,将导致容器启动失败,它会根据 Pod 的 restartPolicy 指定的策略进行重试。然而,如果 Pod 的 restartPolicy 设置为 Always,Init 容器失败时会使用 RestartPolicy 策略。

在所有的 Init 容器没有成功之前,Pod 将不会变成 Ready 状态。Init 容器的端口将不会在 Service中进行聚集。 正在初始化中的 Pod 处于 Pending 状态,但应该会将 Initializing 状态设置为 true。Init 容器运行完成以后就会自动终止。

关于 Init 容器的详细信息请参考 Init 容器 - Kubernetes 中文指南/云原生应用架构实践手册

Init 容器解析

Istio 在 pod 中注入的 Init 容器名为 istio-init,我们在上面 Istio 注入完成后的 YAML 文件中看到了该容器的启动命令是:

istio-iptables -p 15001 -z 15006 -u 1337 -m REDIRECT -i '*' -x "" -b '*' -d 15090,15020

我们再检查下该容器的 Dockerfile 看看 ENTRYPOINT 是怎么确定启动时执行的命令。

# 前面的内容省略
# The pilot-agent will bootstrap Envoy.
ENTRYPOINT ["/usr/local/bin/pilot-agent"]

我们看到 istio-init 容器的入口是 /usr/local/bin/istio-iptables 命令行,该命令行工具的代码的位置在 Istio 源码仓库的 tools/istio-iptables 目录。

注意:在 Istio 1.1 版本时还是使用 isito-iptables.sh 命令行来操作 IPtables。

Init 容器启动入口

Init 容器的启动入口是 istio-iptables 命令行,该命令行工具的用法如下:

$ istio-iptables [flags]
  -p: 指定重定向所有 TCP 流量的 sidecar 端口(默认为 $ENVOY_PORT = 15001)
  -m: 指定入站连接重定向到 sidecar 的模式,“REDIRECT” 或 “TPROXY”(默认为 $ISTIO_INBOUND_INTERCEPTION_MODE)
  -b: 逗号分隔的入站端口列表,其流量将重定向到 Envoy(可选)。使用通配符 “*” 表示重定向所有端口。为空时表示禁用所有入站重定向(默认为 $ISTIO_INBOUND_PORTS  -d: 指定要从重定向到 sidecar 中排除的入站端口列表(可选),以逗号格式分隔。使用通配符“*” 表示重定向所有入站流量(默认为 $ISTIO_LOCAL_EXCLUDE_PORTS  -o:逗号分隔的出站端口列表,不包括重定向到 Envoy 的端口。
  -i: 指定重定向到 sidecar 的 IP 地址范围(可选),以逗号分隔的 CIDR 格式列表。使用通配符 “*” 表示重定向所有出站流量。空列表将禁用所有出站重定向(默认为 $ISTIO_SERVICE_CIDR  -x: 指定将从重定向中排除的 IP 地址范围,以逗号分隔的 CIDR 格式列表。使用通配符 “*” 表示重定向所有出站流量(默认为 $ISTIO_SERVICE_EXCLUDE_CIDR)。
  -k:逗号分隔的虚拟接口列表,其入站流量(来自虚拟机的)将被视为出站流量。
  -g:指定不应用重定向的用户的 GID。(默认值与 -u param 相同)
  -u:指定不应用重定向的用户的 UID。通常情况下,这是代理容器的 UID(默认值是 1337,即 istio-proxy 的 UID)。
  -z: 所有进入 pod/VM 的 TCP 流量应被重定向到的端口(默认 $INBOUND_CAPTURE_PORT = 15006)。

以上传入的参数都会重新组装成 iptables 规则,关于该命令的详细用法请访问 tools/istio-iptables/pkg/cmd/root.go

该容器存在的意义就是让 sidecar 代理可以拦截所有的进出 pod 的流量,15090 端口(Mixer 使用)和 15092 端口(Ingress Gateway)除外的所有入站(inbound)流量重定向到 15006 端口(sidecar),再拦截应用容器的出站(outbound)流量经过 sidecar 处理(通过 15001 端口监听)后再出站。关于 Istio 中端口用途请参考 Istio 官方文档

命令解析

这条启动命令的作用是:

  • 将应用容器的所有流量都转发到 sidecar 的 15006 端口。
  • 使用 istio-proxy 用户身份运行, UID 为 1337,即 sidecar 所处的用户空间,这也是 istio-proxy 容器默认使用的用户,见 YAML 配置中的 runAsUser 字段。
  • 使用默认的 REDIRECT 模式来重定向流量。
  • 将所有出站流量都重定向到 sidecar 代理(通过 15001 端口)。

因为 Init 容器初始化完毕后就会自动终止,因为我们无法登陆到容器中查看 iptables 信息,但是 Init 容器初始化结果会保留到应用容器和 sidecar 容器中。

Pod 启动流程

启用了 Sidecar 自动注入的 Pod 启动流程如下:

  1. Init 容器先启动,向 Pod 中注入 iptables 规则,进行透明流量拦截。
  2. 随后,Kubernetes 会根据 Pod Spec 中容器的声明顺序依次启动容器,但这是非阻塞的,无法保证第一个容器启动完成后才启动下一个。istio-proxy 容器启动时,pilot-agent 将作为 PID 1 号进程,它是 Linux 用户空间的第一个进程,负责拉起其他进程和处理僵尸进程。pilot-agent 将生成 Envoy bootstrap 配置并拉起 envoy 进程;应用容器几乎跟 istio-proxy 容器同时启动,为了防止 Pod 内的容器在还没启动好的情况而接收到外界流量,这时候就绪探针就派上用场了。Kubernetes 会在 istio-proxy 容器的 15021 端口进行就绪检查,直到 isito-proxy 启动完成后 kubelet 才会将流量路由到 Pod 内。
  3. 在 Pod 启动完成后,pilot-agent 将变为守护进程监视系统其他进程,除此之外,该进程还为 Envoy 提供 Bootstrap 配置、证书、健康检查、配置热加载、身份支持及进程生命周期管理等。

Pod 内容器启动顺序问题

在 Pod 启动的过程中存在容器启动顺序问题,假设下面这种情况,应用容器先启动,请求其他服务,这时候 istio-proxy 容器还没启动完成,那么该请求将会失败,如果你的应用的健壮性不足,甚至可能导致应用容器崩溃,进而 Pod 重启。对于这种情况的解决方案是:

  • 修改应用程序,增加超时重试。
  • 增加应用容器中进程的启动延迟,比如增加 sleep 时间。
  • 在应用容器中增加一个 postStart 配置,检测应用进程是否启动完成,只有当检测成功时,Kubernetes 才会将 Pod 的状态标记为 Running

总结

这篇文章带领大家了解了 Istio 数据平面中的 Pod 启动过程,还有因为 Pod 内容器启动顺序带来的问题。

参考