基于Wasm和ORAS如何簡化擴展服務網格功能

基于Wasm和ORAS如何簡化擴展服務網格功能，針對這個問題，這篇文章詳細介紹了相對應的分析和解答，希望可以幫助更多想解決這個問題的小伙伴找到更簡單易行的方法。

小編將介紹如何使用 ORAS 客戶端將具有允許的媒體類型的 Wasm 模塊推送到 ACR 注冊庫（一個 OCI 兼容的注冊庫）中，然后通過 ASM 控制器將 Wasm Filter 部署到指定工作負載對應的 Pod 中。Wasm Filter 部署中的所有步驟都使用聲明方式，也就是說可以創建一個自定義資源 CRD 來描述 Wasm Filter 的部署。一旦該 CRD 創建之后，ASM 控制器可以將 Wasm 模塊加載到數據平面層中的相應 Envoy 代理中，同時在控制平面層中也會創建相應的 Istio EnvoyFilter 自定義資源。

Envoy Filter 介紹

首先回顧一下 EnvoyProxy 的實現機制。Envoy 的核心是一個 L3/L4 網絡代理，并支持 L7 代理，通過提供可插入 filter chain 機制允許開發人員編寫 filter 來執行不同的任務，譬如我們常用到的 HTTP connection manager，將原始字節轉換為 HTTP 級別的消息和事件，還處理所有 HTTP 連接和請求共有的功能包括訪問日志、tracing 等。

上圖可以看到：Downstream 作為連接到 Envoy 并發送請求以及接收響應的客戶端部分， 監聽器 Listener 組件用于綁定到 IP 地址/端口并接收來自 Downstream 下游的連接。通過配置 Listener，用戶可以啟用通過代理的流量管理能力，然后使用多個 Filter 增強數據流，多個 Filter 構成了一個 Filter Chain。可以看到經過這些 Filter chain 處理之后， 會把請求映射到相應的 Cluster（此處的 Cluster 集群是指 Envoy 連接到的邏輯上相同的一組上游主機，與下文中提交的 Kubernetes 集群沒有關系），而 Cluster 的作用是負責連接到一組上游節點服務, 并使用關聯的負載均衡策略轉發這些請求。

根據處理任務的不同，Envoy Filter 分為三類：

• Listener Filter：用于操作處理 L4 連接中的元數據。

• Network Filter：用于操作處理 L4 連接中的原始數據。

• HTTP Filter：用于操作處理 L7 連接中的 HTTP 請求與響應。

除了這些 built-in Filter 之外，還可以開發自定義的 Filter，可使用 native c++ 編譯方式，或是通過 wasm 技術構建 Filter。

此外，Envoy 提供了一組 API，也就是我們常說的 xDS API。通過這些 API，控制平面可以動態地配置 Envoy 代理。

如上圖所示，與進站流量類似，對于出站流量來說，監聽器在配置的地址或者端口進行監聽網絡流量的請求。每個監聽器同樣會定義一組位于數據路徑中的 Filter，并形成一組過濾器鏈 Filter Chain。通過這樣的一組過濾器，用戶可以配置 Envoy 來針對出站流量做特定的任務，包括數據協議處理、生成調用的統計信息、執行 RBAC 權限等。

為了更好地理解這些 Envoy Filter 以及 Filter Chain，下面來看一個實際的例子。這個就是 Istio 官方示例 bookinfo 中的第一個服務 productpage。首先, productpage pod 中 Envoy Proxy 配置了一個監聽 9080 端口的監聽器，進入這個 pod 的端口 9080 上的流量請求都會被攔截到這個 proxy 中，然后請求就會經過這些 Filter Chain 進行處理。具體如下：

• 第一個 filter 是 envoy.filters.network.metadata_exchange，它的主要作用顧名思義，用來在 filter 之間交換元數據。

• 第二個 filter: envoy.http_connection_manager，它下面通常會有以下幾個跟 http 特定的 filter，包括：

• envoy.filters.http.wasm/envoy.wasm.metadata_exchange（用于元數據交互）

• Istio_authn filter（用于授權認證）

• envoy.filters.http.cors（處理跨域資源共享的 filter）

• envoy.filters.http.fault（故障注入過濾器，可以用來測試微服務架構中容錯能力，用戶可以自定義錯誤代碼來實現延時注入或者終止請求，在不同的失敗場景下提供錯誤處理的能力，例如服務失敗、服務過載、服務高延時等情況，這個也是較為常用的 filter）

• envoy.filters.http.wasm/envoy.wasm.stats、envoy.filters.http.wasm/xxx-wasmfilter（用戶自定義的 wasm 實現的filter）

• envoy.filters.http.router（實現 HTTP 轉發，幾乎所有 HTTP 場景下都會使用到這一過濾器）

備注：可以通過請求這個 URL 地址獲取配置信息：kubectl exec -it [productpage-xxx] -c istio-proxy curl localhost:15000/config_dump

添加新的 Filter

Envoy 社區已經提供了若干個 Built-in Filters，具體參見：https://www.envoyproxy.io/docs/envoy/latest/configuration/http/http_filters/http_filters。

在服務網格中，可以通過 API 啟用這些 Built-in Filter 能力。

如果這些 Built-in Filter 無法滿足需求，還可以通過自定義 Filter 實現，有以下兩種方式：

• 靜態預編譯：

• 將其他過濾器集成到 Envoy 的源代碼中，并編譯新的 Envoy 版本。

• 這種方法的缺點是您需要維護 Envoy 版本，并不斷使其與官方發行版保持同步。

• 由于 Envoy 是用 C++ 實現的，因此新開發的過濾器也必須用 C++ 實現。 

• 動態運行時加載：

• 在運行時將新的過濾器動態加載到 Envoy 代理中。

• 為了簡化擴展 Envoy 的過程, 通過引入 WebAssembly 技術 - 它是一種有效的可移植二進制指令格式，提供了可嵌入和隔離的執行環境。

使用 Wasm 擴展 Envoy Proxy 的優缺點

在實際應用中，會根據以下優缺點來決定是否使用 Wasm 這種方式擴展 Envoy Filter。

Pros

• 敏捷性：過濾器可以動態加載到正在運行的 Envoy 進程中，而無需停止或重新編譯。

• 可維護性：不必更改 Envoy 自身基礎代碼庫即可擴展其功能。

• 多樣性：可以將流行的編程語言（例如 C/C++ 和 Rust）編譯為 WASM，因此開發人員可以選擇實現過濾器的編程語言。

• 可靠性和隔離性：過濾器會被部署到 VM 沙箱中，因此與 Envoy 進程本身是隔離的；即使當 WASM Filter 出現問題導致崩潰時，它也不會影響 Envoy 進程。

• 安全性：過濾器通過預定義 API 與 Envoy 代理進行通信，因此它們可以訪問并只能修改有限數量的連接或請求屬性。

Cons

• 性能約為 C++ 編寫的原生靜態編譯的 Filter 的 70％。

• 由于需要啟動一個或多個 WASM 虛擬機，因此會消耗一定的內存使用量。

• The WebAssembly ecosystem is still young。

envoy-wasm 運行機制

如下圖所示，envoy-wasm 運行機制包括以下幾個步驟：

• Wasm 二進制代碼需要能夠被動態加載進來，無論是通過 local file 方式還是 xds 遠程獲取方式。

• 一個 Wasm filter 是否被允許加載，需要一致性校驗：https://github.com/proxy-wasm/spec。

• 一旦被加載之后，Wasm filter 就成為 filter chain 的一部分，當新的請求進來之后，還是先進入到原生的 filter，之后進入到 Proxy-Wasm 擴展控制器。

• Proxy-Wasm 擴展控制器會根據在 filter chain 中定義的 configuration 信息，調用并執行注冊的校驗過的這些 Wasm filter。

• 內置的 Wasm runtime 支持：LLVM-based WAVM ~20MB, and V8 ~10MB。

• 事件驅動模型。

• 兼容 native filter 調用方式。

如下所示，是下發到 Envoy Proxy 側的一個 Wasm Filter 的配置內容。

以上講述了 Envoy Filter 以及通過 Wasm 擴展的方式，引出了 Wasm filter 機制，這將是未來的主流方式。

在一個服務網格體系中，如何以有效并且簡單的方式來管理 Wasm filter 的部署運行，將是云產品需要解決的一個問題。

OPAS 及 Wasm filter 注冊庫

在 Cloud Native 生態系統中，如何管理一個 Artifact 文件，相信絕大多數人會想到 oci 規范標準，是否可以像管理 Docker 鏡像那樣去管理這些 Wasm filter。

ORAS 項目就是用來解決這個問題的，它的全稱為 OCI Registry As Storage。ORAS 是 OCI Artifacts 項目的參考實現，可以顯著地簡化 OCI 注冊庫中任意內容的存儲。

使用 ORAS API/SDK Library 可以構建自定義工具，完成以下功能：

• 將 WebAssembly 模塊推入到 OCI 注冊庫中。

• 從 OCI 注冊庫中拉取 WebAssembly 模塊。

oras cli 的使用類似于 docker cli，如下所示：

以阿里云容器鏡像服務企業版 ACR EE 為例，作為企業級云原生應用制品管理平臺，已經提供了容器鏡像、Helm Chart 以及符合 OCI 規范的制品的生命周期管理。開通之后，創建一個鏡像倉庫，會分配一個地址，提供了 vpc 和公網兩種方式。

使用 oras login 命令行登錄, 執行以下命令：

oras login --username=<登錄賬號> acree-1-registry.cn-hangzhou.cr.aliyuncs.com

通過oras push命令推送, 執行以下命令：

oras push acree-1-registry.cn-hangzhou.cr.aliyuncs.com/******/asm-test:v0.1 --manifest-config runtime-config.json:application/vnd.module.wasm.config.v1+json  example-filter.wasm:application/vnd.module.wasm.content.layer.v1+wasm

注意參數 --manifest-config，可以參考 Wasm Artifact 鏡像規范。

Wasm filter 被推送到 ACR EE 注冊庫中之后，可以查看相關信息，如下：

阿里云服務網格 ASM 架構

在阿里云服務網格 ASM 產品中是如何使用 Wasm 技術呢？首先我們了解一下 ASM 產品的技術架構，如下圖所示。作為業內首個全托管 Istio 兼容的服務網格產品，ASM 的定位是專注打造全托管、安全、穩定、易用的服務網格，以及支持跨地域多集群、多云混合云服務的統一治理。控制平面的組件托管在阿里云側，與數據面側的用戶集群解耦獨立，降低用戶使用的復雜度，用戶只需要專注于業務應用的開發部署。在托管模式下，保持與 Istio 的兼容，支持聲明式的方式定義靈活的路由規則，支持多個 Kubernetes 集群的統一流量管理。

服務網格 ASM 作為連接上層應用和下層計算基礎設施的重要環節，可以分為 3 個角度來理解：

• 從向下與基礎設施融合的角度

• 服務網格自身的能力建設的角度

• 向上支持應用層以及被集成能力的角度

其中, 從服務網格自身的能力建設來看，ASM 作為一個托管的服務網格產品，提供了柔性架構，可以支持不同版本的、定制的 Istio 控制面與數據面 Proxy 代理。

• 在托管側，將控制面核心組件進行改造托管，并負責整個控制面和數據面組件的生命周期管理。在產品能力方面，ASM 在 Mesh CA、安全審計方面做了增強提升網格實例的安全度；把客戶場景的常見問題形成了診斷規則，用戶可以自行運行診斷分析。 

• 在做核心托管側的建設之外，ASM 優化整合了阿里云的多個產品服務，如：在可觀測性方面，整合了 xtrace、arms、日志服務等；在跨 vpc 網絡打通方面整合了 cen，實現多集群的互聯互通；在限流方面集成了 AHAS 的限流服務。

• ASM 還集成擴展了社區開源的組件能力，包括在安全方面的 OPA 安全引擎的支持、spiffe/spire 的支持、envoyfilter 的擴展支持等。所以這一部分需要提供一種簡單有效的方式幫助用戶輕松擴展這些能力。

在阿里云 ASM 中使用 Wasm

隨著新架構的優化，WebAssembly 技術被引入服務網格中，解決代理擴展的問題。這樣一來， ASM 架構就變成了“托管的高可用彈性控制平面 + 可擴展的插件式的數據平面“的模式。

阿里云服務網格 ASM 產品中提供了對 WebAssembly（WASM）技術的支持，服務網格使用人員可以把擴展的 WASM Filter 通過 ASM 部署到數據面集群中相應的 Envoy 代理中。通過 ASMFilterDeployment  Controller 組件,  可以支持動態加載插件、簡單易用、以及支持熱更新等能力。

通過這種過濾器擴展機制，可以輕松擴展 Envoy 的功能并將其在服務網格中的應用推向了新的高度。

下面我們具體來看在 ASM 實例中是怎樣啟用這個能力的？

部署一個 ASM 實例之后，默認該功能是沒有開啟的，用戶需要主動去開啟。例如通過如下 aliyun cli 方式：

aliyun servicemesh UpdateMeshFeature  --ServiceMeshId=xxxxxx --WebAssemblyFilterEnabled=true

開啟該功能之后，ASM 實例會部署相關組件并執行如下任務：

• 部署一個 DaemonSet(asmwasm-controller) 到 K8s 集群中。

• asmwasm-controller 監聽一個 configmap，該 configmap 存放要拉取的 wasm filter 的地址，例如：acree-1-registry.cn-hangzhou.cr.aliyuncs.com/*******/sample:v0.1。

• 如果需要授權認證，該 asmwasm-controller 會根據定義的 pullSecret 值獲得相應的 secret 值。

• 然后，調用 oras API 從注冊庫中動態拉取 Wasm filter。

• 該 asmwasm-controller 使用 HostPath 方式掛載 volume，所以拉取的 Wasm filter 會落盤到對應的節點上。

啟用了該功能之后，如何開始部署一個 Wasm filter 并掛載到對應 workload 的 Envoy Proxy 中呢？

阿里云服務網格 ASM 產品提供了一個新的 CRD ASMFilterDeployment 以及相關的 controller 組件。這個 controller 組件會監聽 ASMFilterDeployment 資源對象的情況，會做 2 個方面的事情：

• 創建出用于控制面的 Istio EnvoyFilter Custom Resource，并推送到對應的 asm 控制面 istiod 中。

• 從 OCI 注冊庫中拉取對應的 wasm filter 鏡像，并掛載到對應的 workload pod 中。

以下是一個 ASMFilterDeployment CR 示例：

apiVersion: istio.alibabacloud.com/v1beta1
kind: ASMFilterDeployment
metadata:
  name: details-v1-wasmfiltersample
spec:
  workload:
    kind: Deployment
    labels:
      app: details
      version: v1
  filter:
    parameters: '{"name":"hello","value":"hello details"}'
    image: 'acree-1-registry.cn-hangzhou.cr.aliyuncs.com/asm/asm-test:v0.1'
    imagePullOptions: 
      pullSecret: 'asmwasm-cache'
    rootID: 'my_root_id'
    id: 'details-v1-wasmfiltersample.default'

生成的 Istio Envoy Filter 資源如下所示：

其中，match 片段中定義了 envoy.router 這個 filter、patch 片段中定義了 INSERT_BEFORE 操作，插入一個 Wasm filter，如下：

掛載了 Wasm filter 的工作負載定義更新后如下，其中以 hostpath 方式掛載 Wasm filter 文件到 Proxy 容器中：

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
.…
spec:
   ….
   template:
      metadata:
          annotations:
              sidecar.istio.io/userVolume: '[{"name":"wasmfilters-dir","hostPath":{"path":"/var/local/lib/wasm-filters"}}]’
              sidecar.istio.io/userVolumeMount: '[{"mountPath":"/var/local/lib/wasm-filters","name":"wasmfilters-dir"}]'

確認 Wasm filter 是否生效。登錄到 productpage Pod 的 istio-proxy 容器中，執行以下命令，將一些流量發送到 details 服務上。在響應中，可以看到過濾器的頭添加到響應頭中。

kubectl exec -ti  deploy/productpage-v1 -c istio-proxy -- curl -v http://details:9080/details/123

*   Trying 172.21.9.191...
* TCP_NODELAY set
* Connected to details (172.21.9.191) port 9080 (#0)
> GET /details/123 HTTP/1.1
> Host: details:9080
> User-Agent: curl/7.58.0
> Accept: */*
>
< HTTP/1.1 200 OK
xxxxxxx
< resp-header-demo: added by our filter
xxxxx
* Connection #0 to host details left intact
xxxxx

關于基于Wasm和ORAS如何簡化擴展服務網格功能問題的解答就分享到這里了，希望以上內容可以對大家有一定的幫助，如果你還有很多疑惑沒有解開，可以關注億速云行業資訊頻道了解更多相關知識。