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Istio 流量劫持过程




开篇


Istio 流量劫持的文章其实目前可以在 servicemesher 社区找到一篇非常详细的文章，可查阅：Istio 中的 Sidecar 注入及透明流量劫持过程详解。特别是博主整理的那张“流量劫持示意图”，已经可以很清晰的看出来劫持流程。这里我借着那张图片解释一版该图片的文字版本。在开始文字版前如果对 iptables 命令如果不是非常了解的话建议先重点看下下面的两篇文章，深入浅出的解释了该命令的概念及用法：

  • iptables 概念（http://www.zsythink.net/archives/1199） - 以通俗易懂的方式描述 iptables 的相关概念

  • iptables 指南（https://www.frozentux.net/iptables-tutorial/cn/iptables-tutorial-cn-1.1.19.html） - iptables 命令用法指南


这里引用 iptables 的一张报文流向图（版权归原博主所有）

Istio 流量劫持过程


当客户端访问服务器的 web 服务时，客户端发送报文到网卡，而 tcp/ip 协议栈是属于内核的一部分，所以，客户端的信息会通过内核的 TCP 协议传输到用户空间中的 web服务中，而此时，客户端报文的目标终点为 web 服务所监听的套接字（IP：Port）上，当 web 服务需要响应客户端请求时，web 服务发出的响应报文的目标终点则为客户端，这个时候，web 服务所监听的 IP 与端口反而变成了原点。-- 引用自 zsythink
上面这部分描述相当重要，它是理解 sidecar 在进行流量劫持的基础之一。

下面我们分析下 istio-init 启动时执行的 istio-iptables 命令 
nsenter -t 8533 -n iptables -t nat -S

# 默认
# 为PREROUTING/INPUT/OUTPUT/POSTROUTING链设置策略为接收数据包(ACCEPT)
-P PREROUTING ACCEPT
-P INPUT ACCEPT
-P OUTPUT ACCEPT
-P POSTROUTING ACCEPT

# 自定义4个istio的规则链
-N ISTIO_INBOUND
-N ISTIO_IN_REDIRECT
-N ISTIO_OUTPUT
-N ISTIO_REDIRECT

# 进入PREROUTING链tcp协议请求全部定向至 ISTIO_INBOUND 自定义链进行规则匹配
-A PREROUTING -p tcp -j ISTIO_INBOUND
# 进入OUTPUT链tcp协议请求全部定向至 ISTIO_OUTPUT 自定义链进行规则匹配
-A OUTPUT -p tcp -j ISTIO_OUTPUT

# 入口
# tcp协议请求且请求端口为22/15090/15021/15020的请求停止执行当前链中的后续Rules，并执行下一个链
-A ISTIO_INBOUND -p tcp -m tcp --dport 22 -j RETURN
-A ISTIO_INBOUND -p tcp -m tcp --dport 15090 -j RETURN
-A ISTIO_INBOUND -p tcp -m tcp --dport 15021 -j RETURN
-A ISTIO_INBOUND -p tcp -m tcp --dport 15020 -j RETURN
# tcp协议且端口不是22/15090/15021/15020的请求全部定向至 ISTIO_IN_REDIRECT
-A ISTIO_INBOUND -p tcp -j ISTIO_IN_REDIRECT
# 将重定向于此的tcp协议请求流量全部重定向至15006端口(envoy入口流量端口)
-A ISTIO_IN_REDIRECT -p tcp -j REDIRECT --to-ports 15006

# 出口
#  源IP地址为localhost且数据包出口为 ”lo“ 的流量都返回到它的调用点中的下一条链执行(1)
-A ISTIO_OUTPUT -s 127.0.0.6/32 -o lo -j RETURN
#  目的地非localhost，数据包出口为 ”lo“，是istio-proxy用户的流量转发至 ISTIO_REDIRECT (2)
-A ISTIO_OUTPUT ! -d 127.0.0.1/32 -o lo -m owner --uid-owner 1337 -j ISTIO_IN_REDIRECT
#  数据包出口为 ”lo“，非istio-proxy用户的流量都返回到它的调用点中的下一条链执行(1)
-A ISTIO_OUTPUT -o lo -m owner ! --uid-owner 1337 -j RETURN
#  istio-proxy 用户的流量都返回到它的调用点中的下一条链执行
-A ISTIO_OUTPUT -m owner --uid-owner 1337 -j RETURN
#  目的地非localhost，数据包出口为 ”lo“，是istio-proxy用户组的流量转发至 ISTIO_REDIRECT(2)
-A ISTIO_OUTPUT ! -d 127.0.0.1/32 -o lo -m owner --gid-owner 1337 -j ISTIO_IN_REDIRECT
#  数据包出口为 ”lo“ 且非istio-proxy用户组流量都返回到它的调用点中的下一条链执行(1)
-A ISTIO_OUTPUT -o lo -m owner ! --gid-owner 1337 -j RETURN
#  到 istio-proxy 用户组的流量都返回到它的调用点中的下一条链执行(1)
-A ISTIO_OUTPUT -m owner --gid-owner 1337 -j RETURN
#  所有目的地为localhost的流量都返回到它的调用点中的下一条链执行(1)
-A ISTIO_OUTPUT -d 127.0.0.1/32 -j RETURN
#  其他不满足上述rules的流量全部转发到 ISTIO_REDIRECT (2)
-A ISTIO_OUTPUT -j ISTIO_REDIRECT
#  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


-m = --match. istio-proxy 用户身份运行， uid-owner 1337 为用户ID / gid-owner 1337 为用户组，即 sidecar 所处的用户空间，这也是 istio- proxy 容器默认使用的用户。


注意文中打括号的地方
(1) 代表流量会直接执行下一个拦截链，本文中下一个拦截链为 POSTROUTING 链
(2) 代表流量会被重定向至 envoy 出口流量端口

根据上面的规则小结一下：
ISTIO_INBOUND 链：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：所有流出 Pod 由 istio-proxy 用户空间发出且目的地不为localhost的流量全部重定向至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。
其实仔细思考下可以看到，流量拦截主要发生在两个地方：

  1. 用户请求到达 Pod 时对应流量会被拦截至 sidecar 进行处理，由 sidecar 请求业务服务

  2. 当业务服务响应用户请求时该响应再次被拦截至 sidecar，由 sidecar 响应用户


再看下 iptables nat 表的规则 
nsenter -t 8533 -n iptables -t nat -L -v


Chain PREROUTING (policy ACCEPT 3435 packets, 206K bytes)
 pkts bytes target prot opt in out source               destination
 3435  206K ISTIO_INBOUND tcp -- any any anywhere anywhere (1)

Chain INPUT (policy ACCEPT 3435 packets, 206K bytes) (5)
 pkts bytes target prot opt in out source               destination

Chain OUTPUT (policy ACCEPT 599 packets, 54757 bytes)
 pkts bytes target prot opt in out source               destination
   22  1320 ISTIO_OUTPUT tcp -- any any anywhere anywhere

Chain POSTROUTING (policy ACCEPT 599 packets, 54757 bytes) (8)
 pkts bytes target prot opt in out source               destination

Chain ISTIO_INBOUND (1 references) (2)
 pkts bytes target prot opt in out source               destination
    0     0 RETURN tcp -- any any anywhere anywhere tcp dpt:22
    1    60 RETURN tcp -- any any anywhere anywhere tcp dpt:15090
 3434  206K RETURN tcp -- any any anywhere anywhere tcp dpt:15021
    0     0 RETURN tcp -- any any anywhere anywhere tcp dpt:15020
    0     0 ISTIO_IN_REDIRECT tcp -- any any anywhere anywhere (3)

Chain ISTIO_IN_REDIRECT (3 references)
 pkts bytes target prot opt in out source               destination
    0     0 REDIRECT tcp -- any any anywhere anywhere redir ports 15006                                                                     (4)

Chain ISTIO_OUTPUT (1 references) (6)
 pkts bytes target prot opt in out source               destination
    0     0 RETURN all  -- any lo      127.0.0.6            anywhere
    0     0 ISTIO_IN_REDIRECT all  -- any lo      anywhere !localhost owner UID match 1337
    0     0 RETURN all  -- any lo      anywhere anywhere ! owner UID match 1337
   22  1320 RETURN all  -- any any anywhere anywhere owner UID match 1337
    0     0 ISTIO_IN_REDIRECT all  -- any lo      anywhere !localhost owner GID match 1337
    0     0 RETURN all  -- any lo      anywhere anywhere ! owner GID match 1337
    0     0 RETURN all  -- any any anywhere anywhere owner GID match 1337
    0     0 RETURN all  -- any any anywhere localhost
    0     0 ISTIO_REDIRECT all  -- any any anywhere anywhere

Chain ISTIO_REDIRECT (1 references)
 pkts bytes target prot opt in out source               destination
    0     0 REDIRECT tcp -- any any anywhere anywhere redir ports 15001


让我们一起再来仔细看下面这个图片，同步观察上面 iptables chain 的规则。这里的分析主要针对红色的数字一对一解释：

Istio 流量劫持过程


  1. productpage 服务对 reviews 服务发送 TCP 连接请求

  2. 请求进入 reviews 服务所在 Pod 内核空间，被 netfilter 拦截入口流量，经过  PREROUTING 链然后转发至 ISTIO_INBOUND 链

  3. 在被ISTIO_INBOUND链被这个规则-A ISTIO_INBOUND -p tcp -j ISTIO_IN_REDIRECT 拦截再次转发至 ISTIO_IN_REDIRECT 链

  4. ISTIO_IN_REDIRECT 链直接重定向至 envoy 监听的 15006 入口流量端口

  5. 在 envoy 内部经过一系列入口流量治理动作后，发出 TCP 连接请求 reviews 服务，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. OUTPUT 链转发流量至 ISTIO_OUTPUT 链

  7. 目的地为 localhost，不能匹配到转发规则链，直接 RETURN 到下一个链，即POSTROUTING 链

  8. sidecar 发出的请求到达 reviews 服务 9080 端口

  9. reviews 服务处理完业务逻辑后响应 sidecar，这一步对 reviews 服务来说属于出口流量，再次被 netfilter 拦截转发至出口流量 OUTPUT 链

  10. OUTPUT 链转发流量至 ISTIO_OUTPUT 链

  11. 发送非localhost请求且为istio-proxy用户空间的流量被转发至ISTIO_REDIRECT 链

  12. ISTIO_REDIRECT 链直接重定向至 envoy 监听的 15001 出口流量端口

  13. 在 envoy 内部经过一系列出口流量治理动作后继续发送响应数据，响应时又会被netfilter 拦截转发至出口流量 OUTPUT 链

  14. OUTPUT 链转发流量至 ISTIO_OUTPUT 链

  15. 流量直接 RETURN 到下一个链，即 POSTROUTING 链


针对上文其实本人还有两个疑问点，有会的人还请不吝指教：

  • 上面的理解没有写第16点，图中的16点还会再进 ISTIO_REDIRECT 链，我们可以看到 ISTIO_REDIRECT 链中只有一个改写端口转发的规则，这样岂不是会进入一个死循环？或者是我还没有理解清楚


从整个流量拦截流程大家也可以看出，路径这么长， 在大并发场景下肯定会损失转发性能。目前业界有一些框架在试着缩短这个拦截路径，让大家拭目以待吧。


参考文献

https://www.servicemesher.com/blog/sidecar-injection-iptables-and-traffic-routing/
https://www.frozentux.net/iptables-tutorial/cn/iptables-tutorial-cn-1.1.19.html#REDIRECTTARGET
http://www.zsythink.net/archives/1199


好运来了

出处：http://dwz.date/aRck


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