Istio-PilotAgent源码分析

前序

在正式开始源码分析之前,我们需要了解一下agent的配置

type Agent struct {
	// 代理配置,配置envoy运行文件目录,代理镜像地址等
	// 与mesh.proxyconfig属性一致
	proxyConfig *mesh.ProxyConfig
	// 主要将proxyConfig,secOpts信息进行封装
	cfg *AgentOptions
	// 安全信息配置,主要存储了静态证书的地址,证书提供者等
	secOpts *security.Options
	//  envoy运行时所需要的信息,比如envoy二进制文件,日志级别等
	envoyOpts  envoy.ProxyConfig
	envoyAgent *envoy.Agent
	// envoy等待管道
	envoyWaitCh chan error
	// SDSGRPC服务器,主要用于工作负载的证书申请
	// sds会生成证书然后调用secretCache对证书进行签证,完成后发送给envoy
	sdsServer *sds.Server
	// 用于SDS证书签证,可以通过文件的形式进行签证
	// 默认使用istiod对工作负载进行签证
	secretCache *cache.SecretManagerClient

	// Used when proxying envoy xds via istio-agent is enabled.
	// agnet的XDS服务器,主要用于连接上游istiod与下游envoy通讯的桥梁
	// envoy发送注册事件给agent,agent 会将注册事件转发给istiod
	// istiod下发的配置会通过agent传输给envoy
	xdsProxy *XdsProxy
	// 证书监听器,监听证书更新事件然后触发证书更新策略
	// 主要是获取证书然后重新进行签证生成envoy配置下发
	caFileWatcher filewatcher.FileWatcher

	// local DNS Server that processes DNS requests locally and forwards to upstream DNS if needed.
	// 本地DNS服务器
	localDNSServer *dnsClient.LocalDNSServer

	// Signals true completion (e.g. with delayed graceful termination of Envoy)
	wg sync.WaitGroup
}
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以上配置包含了agent运行过程中使用到的所有配置,我们对他们混个眼熟后就开始逐个击破吧!
下面重点分析proxyConfig,cfg,secOpts.

proxyConfig

代理配置,属于mesh中的属性,可以对全局的服务网格中的代理进行配置.

type ProxyConfig struct {
	// 生成配置输出的目录,默认为./etc/istio/proxy   主要生成envoy的bootstrap配置文件
	ConfigPath string 
	// envoy运行文件的目录
	BinaryPath string 
    // 当前服务的名称istio-proxy
	ClusterName isProxyConfig_ClusterName `protobuf_oneof:"cluster_name"`
	// envoy热启动耗时时间
	DrainDuration *duration.Duration 
	// envoy关闭等待时间
	ParentShutdownDuration *duration.Duration 
	// istiod地址,默认为istiod.istio-system.svc:15012
	DiscoveryAddress string 
	//UDp地址
	StatsdUdpAddress string 
	//envoyMetrics地址
	EnvoyMetricsServiceAddress string 
	// 代理管理端口
	ProxyAdminPort int32  
	// 连接控制层面 istiod 时的身份验证策略,默认为双向TLS
	ControlPlaneAuthPolicy AuthenticationPolicy 
	// 自定义配置文件
	CustomConfigFile string 
	// 指标最大名字长度
	StatNameLength int32
	// 工作线程
	Concurrency *wrappers.Int32Value
	// bootstrap模板文件目录
	ProxyBootstrapTemplatePath string 
	// 流入代理策略
	InterceptionMode ProxyConfig_InboundInterceptionMode 
	// 追踪
	Tracing *Tracing
	// 附加的环境变量
	ProxyMetadata map[string]string 
	// 状态端口
	StatusPort int32
	// 额外证书列表
	CaCertificatesPem []string 
	// 代理镜像地址
	Image *v1beta1.ProxyImage 
}
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SecurityOptions

安全配置包含了agent要使用的证书,token等,强烈建议仔细理解,对于下面的证书请求,认证有很大的帮助.

type Options struct {
	// CA签发服务器,默认为istiod.istio-system.svc:15012
	CAEndpoint string
	// 设置ServerName 来覆盖CAEndpoint提取的ServerName
	CAEndpointSAN string
	// CA提供者的名称,默认为Citadel说明使用内部的证书管理
	CAProviderName string
	// 是否生成PKCS#8私钥
	Pkcs8Keys bool
	// 为工作负载生成的证书输出目录
	OutputKeyCertToDir string
	// 客户端在认证时向CA服务器提供密钥和证书的目录
	ProvCert string
	//签名算法
	ECCSigAlg string
	// 证书提供者 默认为istiod
	PilotCertProvider string
	// STS port
	STSPort int
	//身份验证提供程序特定插件
	TokenExchanger TokenExchanger
    // 这里主要用于grpcPerRPCCredentials中的get.token使用
    // 在请求发送前运行,将token值添加到请求头中
	CredFetcher CredFetcher
	// 凭证身份提供者
	CredIdentityProvider string
	// 与工作负载对应的命名空间
	WorkloadNamespace string
	// token管理器
	TokenManager TokenManager
	//证书签名者信息
	CertSigner string

	//系统CA证书根地址值
	CARootPath string
	// 本地现有证书集合,agent会首先使用该证书作为工作负载的证书.
	CertChainFilePath string
	// The path for an existing key file
	KeyFilePath string
	// The path for an existing root certificate bundle
	RootCertFilePath string
}
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对于证书的配置,我感觉istio配置的有些乱,接下来我会在证书章节对上面的配置进行讲解.

cfg

对于cfg,它就像一个缝合怪将上面的配置封装了一下,下面将重点讲解几个比较重要的属性

	// XDSRootCerts is the location of the root CA for the XDS connection. Used for setting platform certs or
	// using custom roots.
	// 创建XDS服务器中的上游连接时所需要的Root证书,默认为/var/run/secrets/istio/root-cert.pem
	// 这个是cm中的istio-ca-root-cert里的key
	// istio-ca-root-cert是dicovery创建的,当命名空间被创建后,会自动为其创建一个istio-ca-root-cert
	XDSRootCerts string

	// CARootCerts of the location of the root CA for the CA connection. Used for setting platform certs or
	// using custom roots.
	// 用于SDS连接上游istiod时所用到的证书默认值也是/var/run/secrets/istio/root-cert.pem
	CARootCerts string
	// Path to local UDS to communicate with Envoy
	// agent使用unix与envoy通讯,当前unix的目录
	XdsUdsPath string
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创建

pilot-agent是istio向应用注入的sidecar容器,它主要有以下工作

1. 解析外部配置参数(可以根据文件,环境变量配置),生成envoy的Bootstrap配置文件(envoy的根配置文件,相当于全局配置).
2. 监视证书的变化,实现证书的热加载.
3. 监视envoy运行状态,提供deplyoment的功能
4. 通知envoy进程优雅退出

cmd.PrintFlags(c.Flags())
log.Infof("Version %s", version.Info.String())

// 初始化代理结构体,解析podip,domain
proxy, err := initProxy(args)
if err != nil {
    return err
}
// 生成代理配置
proxyConfig, err := config.ConstructProxyConfig(meshConfigFile, serviceCluster, options.ProxyConfigEnv, concurrency, proxy)
if err != nil {
    return fmt.Errorf("failed to get proxy config: %v", err)
}
if out, err := protomarshal.ToYAML(proxyConfig); err != nil {
    log.Infof("Failed to serialize to YAML: %v", err)
} else {
    log.Infof("Effective config: %s", out)
}

//创建sts配置
secOpts, err := options.NewSecurityOptions(proxyConfig, stsPort, tokenManagerPlugin)
if err != nil {
    return err
}

// If security token service (STS) port is not zero, start STS server and
// listen on STS port for STS requests. For STS, see
// https://tools.ietf.org/html/draft-ietf-oauth-token-exchange-16.
// STS is used for stackdriver or other Envoy services using google gRPC.
if stsPort > 0 {
    stsServer, err := initStsServer(proxy, secOpts.TokenManager)
    if err != nil {
        return err
    }
    defer stsServer.Stop()
}

// If we are using a custom template file (for control plane proxy, for example), configure this.
if templateFile != "" && proxyConfig.CustomConfigFile == "" {
    proxyConfig.ProxyBootstrapTemplatePath = templateFile
}

envoyOptions := envoy.ProxyConfig{
    LogLevel:          proxyLogLevel,
    ComponentLogLevel: proxyComponentLogLevel,
    LogAsJSON:         loggingOptions.JSONEncoding,
    NodeIPs:           proxy.IPAddresses,
    Sidecar:           proxy.Type == model.SidecarProxy,
    OutlierLogPath:    outlierLogPath,
}
// 创建agent配置
agentOptions := options.NewAgentOptions(proxy, proxyConfig)
// 创建agent服务器(只是创建了一个结构体,具体功能实现在run中)
agent := istio_agent.NewAgent(proxyConfig, agentOptions, secOpts, envoyOptions)
ctx, cancel := context.WithCancel(context.Background())
defer cancel()

// If a status port was provided, start handling status probes.
if proxyConfig.StatusPort > 0 {
    // 状态服务器初始化操作
    if err := initStatusServer(ctx, proxy, proxyConfig, agentOptions.EnvoyPrometheusPort, agent); err != nil {
        return err
    }
}

go iptableslog.ReadNFLOGSocket(ctx)

// On SIGINT or SIGTERM, cancel the context, triggering a graceful shutdown
go cmd.WaitSignalFunc(cancel)

// Start in process SDS, dns server, xds proxy, and Envoy.
// agent服务启动
wait, err := agent.Run(ctx)
if err != nil {
    return err
}
wait()
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配置

对于配置在前序的时候已经讲解属性的含义,这里不再具体赘述.
我们主要讲解一下更改这些配置的方式

1. 使用静态的mesh配置文件,这个istio已经创建了一个configmap
2. 使用环境变量,具体细节请参考https://istio.io/latest/zh/docs/reference/commands/pilot-agent/#pilot-agent-completion
3. 使用运行参数.请参考https://istio.io/latest/zh/docs/reference/commands/pilot-agent/#pilot-agent-completion

本文主要关心证书的配置,因为agent最重要的一个功能就是实现了工作负载到工作负载之间的双向TLS.
对于/var/run/secrets/istio/root-cert.pem这个证书的ROOTCA是由dicovery中的maybeCreateCA进行创建的,然后通过initMulticluster监听命名空间资源添加生成root-cert.pem证书的事件.
具体流程为dicovery创建了一个CA服务器,生成CA证书然后然后监视每个命名空间,为其创建cm
这里还有一个需要注意的就是当agent连接istiod时除了证书的双向认证外还需要JWT认证(默认),默认情况下是使用k8s进行认证也就是说传输的token值必须与k8s有关系,在agent中也是这么做的,agent会将k8s中defaultSA用户的token值映射到/var/run/secrets/tokens/istio-token,然后通过grpc的前置函数将当前token值添加到请求头中.

启动

agnet的对于grpc的创建,envoy 的启动都在run方法中运行,接下里就让我们列举一下它都做了那些事.

1. 创建DNS服务器
2. 创建SDS服务器,主要用于envoy证书的申请
3. 创建XDSproxy,主要用于envoy服务发现
4. 启动envoy,使用cmd命令启动呗

接下本文将重点分析2,3步
在开始之前我们先说一下他们的通讯方式,
agent->envoy 使用的是unix通讯,这种方式没有使用tls,但是又保证了安全性,性能要比tls要好
agent->istiod 使用的是tls通讯,通过证书与istiod建立连接,然后通过token值进行身份校验

SDS服务器

SDS主要用于envoy申请证书使用,申请的证书用作envoy->envoy(工作负载->工作负载)之间的mtls.
具体流程为

1. envoy发送证书申请指令(这个应该是写死的请求的url,在envoy里没有找到响应的配置)
2. 由于使用的是unix通讯没有使用tls,所以agent中的xdsserver直接跳过身份校验环节,xdsserver与envoy建立连接接受到请求后,首先查询是否使用的为静态CA,否则生成证书然后调用istiod客户端,向istiod进行签名.
3. istiod接受到连接后对其进行签名返回
4. xdsserver接受到返回信息后会将其缓存到agent中,然后调用envoy配置更新方法(具体的流程pilotDiscovery启动文章中有讲到),将证书转换为envoy配置资源推送给envoy.

下面让我们看一下SDS服务器的创建代码

func (a *Agent) initSdsServer() error {
	var err error
	// 检查是否配置了静态CA证书,如果配置了直接使用该证书,就不用动态判断证书提供者从而获取证书了
	if security.CheckWorkloadCertificate(security.WorkloadIdentityCertChainPath, security.WorkloadIdentityKeyPath, security.WorkloadIdentityRootCertPath) {
		log.Info("workload certificate files detected, creating secret manager without caClient")
		a.secOpts.RootCertFilePath = security.WorkloadIdentityRootCertPath
		a.secOpts.CertChainFilePath = security.WorkloadIdentityCertChainPath
		a.secOpts.KeyFilePath = security.WorkloadIdentityKeyPath
		a.secretCache, err = cache.NewSecretManagerClient(nil, a.secOpts)
		if err != nil {
			return fmt.Errorf("failed to start workload secret manager %v", err)
		}
	} else {
		// 根据istio-ca-secret生成的root.pem(istio-ca-root-cert) 与istiod进行双向认证,然后建立证书创建管理连接
		// 并返回该client
		a.secretCache, err = a.newSecretManager()
		if err != nil {
			return fmt.Errorf("failed to start workload secret manager %v", err)
		}
	}
	// 这里判断如果不使用envoy
	if a.cfg.DisableEnvoy {
		go func() {
			st := a.secretCache
			st.RegisterSecretHandler(func(resourceName string) {
				_, _ = a.getWorkloadCerts(st)
			})
			_, _ = a.getWorkloadCerts(st)
		}()
	} else {
		// 使用tls加速,是istio1.14新特性主要加速双向tls
		pkpConf := a.proxyConfig.GetPrivateKeyProvider()
		// 创建sds服务器,与istiod建立连接
		a.sdsServer = sds.NewServer(a.secOpts, a.secretCache, pkpConf)
		// 这里的OnSecretUpdate会通知XDS服务器重新生成证书推送给envoy
		// 注意,推送的类型为secret,但是对该类型的生成器并不是discovery默认生成器,而是sdsservice类型生成器
		// sdsservice该生成器的作用是重新向istiod获取证书,然后推送
		a.secretCache.RegisterSecretHandler(a.sdsServer.OnSecretUpdate)
	}
	return nil
}

// NewServer creates and starts the Grpc server for SDS.
func NewServer(options *security.Options, workloadSecretCache security.SecretManager, pkpConf *mesh.PrivateKeyProvider) *Server {
	s := &Server{stopped: atomic.NewBool(false)}
	// 创建xds服务器,主要用于生成secert配置然后发送给envoy
	s.workloadSds = newSDSService(workloadSecretCache, options, pkpConf)
	// 与envoy建立unix连接使用socker,注册grpc方法,供envoy调用
	s.initWorkloadSdsService()
	sdsServiceLog.Infof("SDS server for workload certificates started, listening on %q", security.WorkloadIdentitySocketPath)
	return s
}

func (s *Server) initWorkloadSdsService() {
	s.grpcWorkloadServer = grpc.NewServer(s.grpcServerOptions()...)
	s.workloadSds.register(s.grpcWorkloadServer)

	var err error
	// 对于agent<-> envoy的通讯采用的是unix的方式,通过文件管道的形式
	s.grpcWorkloadListener, err = uds.NewListener(security.WorkloadIdentitySocketPath)
	if err != nil {
		sdsServiceLog.Errorf("Failed to set up UDS path: %v", err)
	}
    s.grpcWorkloadListener, err = uds.NewListener(security.WorkloadIdentitySocketPath);
    s.grpcWorkloadServer.Serve(s.grpcWorkloadListener)
}
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XDS代理服务器

xdsproxy主要作为istiod<->envoy通讯的桥梁,istiod下发配置到envoy的具体流程

1. istiod生成配置后推送给conn连接
2. xdsproxy接受到istiod传来的数据后,进行判断如果不是自己的则转发给下面的envoy
3. envoy接收到配置后进行处理

所以说envoy并不直接与istiod进行通讯,那么也就不用关心与它的认证的关系,这一些列的操作都由xdsproxy完成
下面让我们看一下envoy服务注册的具体代码

// grpc注册的handler
var _AggregatedDiscoveryService_serviceDesc = grpc.ServiceDesc{
	ServiceName: "envoy.service.discovery.v3.AggregatedDiscoveryService",
	HandlerType: (*AggregatedDiscoveryServiceServer)(nil),
	Methods:     []grpc.MethodDesc{},
	Streams: []grpc.StreamDesc{
		{
			StreamName:    "StreamAggregatedResources",
			Handler:       _AggregatedDiscoveryService_StreamAggregatedResources_Handler,
			ServerStreams: true,
			ClientStreams: true,
		},
	},
}
func _AggregatedDiscoveryService_StreamAggregatedResources_Handler(srv interface{}, stream grpc.ServerStream) error {
	return srv.(AggregatedDiscoveryServiceServer).StreamAggregatedResources(&aggregatedDiscoveryServiceStreamAggregatedResourcesServer{stream})
}
func (p *XdsProxy) StreamAggregatedResources(downstream discovery.AggregatedDiscoveryService_StreamAggregatedResourcesServer) error {
	proxyLog.Debugf("accepted XDS connection from Envoy, forwarding to upstream XDS server")
    // 这里我们看到调用的是handleStream
    // 在discovery里调用的stream
	return p.handleStream(downstream)
}



func (p *XdsProxy) handleStream(downstream adsStream) error {
	// 创建代理连接
	con := &ProxyConnection{
		conID:           connectionNumber.Inc(),
		upstreamError:   make(chan error, 2), // can be produced by recv and send
		downstreamError: make(chan error, 2), // can be produced by recv and send
		requestsChan:    make(chan *discovery.DiscoveryRequest, 10),
		responsesChan:   make(chan *discovery.DiscoveryResponse, 10),
		stopChan:        make(chan struct{}),
		downstream:      downstream,
	}
	// 赋值给当前xdsproxy
	p.RegisterStream(con)
	defer p.UnregisterStream(con)

	ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), time.Second*5)
	defer cancel()
	// 创建上游连接,就是构建与istiod的连接
	// 证书信息在创建时已经初始化
	upstreamConn, err := p.buildUpstreamConn(ctx)
	// 这里创建与isitodgrpc通讯的客户端
	xds := discovery.NewAggregatedDiscoveryServiceClient(upstreamConn)
	ctx = metadata.AppendToOutgoingContext(context.Background(), "ClusterID", p.clusterID)
	for k, v := range p.xdsHeaders {
		ctx = metadata.AppendToOutgoingContext(ctx, k, v)
	}
	// 开始调用服务注册请求
	return p.HandleUpstream(ctx, con, xds)
}

func (p *XdsProxy) HandleUpstream(ctx context.Context, con *ProxyConnection, xds discovery.AggregatedDiscoveryServiceClient) error {
	// 调用grpc服务注册方法
	upstream, err := xds.StreamAggregatedResources(ctx,
		grpc.MaxCallRecvMsgSize(defaultClientMaxReceiveMessageSize))
	con.upstream = upstream
	// 向上游发送数据方法处理函数
	go p.handleUpstreamRequest(con)
	// 接受上游发送的数据方法处理函数
	go p.handleUpstreamResponse(con)
}
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这两个方法就是istio<->envoy的基本逻辑

istio->envoy

func (p *XdsProxy) handleUpstreamResponse(con *ProxyConnection) {
	forwardEnvoyCh := make(chan *discovery.DiscoveryResponse, 1)
	for {
		select {
		// 接受数据
		case resp := <-con.responsesChan:
			// TODO: separate upstream response handling from requests sending, which are both time costly
			proxyLog.Debugf("response for type url %s", resp.TypeUrl)
			metrics.XdsProxyResponses.Increment()
			// 判断当前请求的url,如果是调用的xdsproxy则进行处理,否则转发给envoy
			if h, f := p.handlers[resp.TypeUrl]; f {
				if len(resp.Resources) == 0 {
					// Empty response, nothing to do
					// This assumes internal types are always singleton
					break
				}
				err := h(resp.Resources[0])
				var errorResp *google_rpc.Status
				if err != nil {
					errorResp = &google_rpc.Status{
						Code:    int32(codes.Internal),
						Message: err.Error(),
					}
				}
				// Send ACK/NACK
				con.sendRequest(&discovery.DiscoveryRequest{
					VersionInfo:   resp.VersionInfo,
					TypeUrl:       resp.TypeUrl,
					ResponseNonce: resp.Nonce,
					ErrorDetail:   errorResp,
				})
				continue
			}
			switch resp.TypeUrl {
			case v3.ExtensionConfigurationType:
				if features.WasmRemoteLoadConversion {
					// If Wasm remote load conversion feature is enabled, rewrite and send.
					go p.rewriteAndForward(con, resp, func(resp *discovery.DiscoveryResponse) {
						// Forward the response using the thread of `handleUpstreamResponse`
						// to prevent concurrent access to forwardToEnvoy
						select {
						case forwardEnvoyCh <- resp:
						case <-con.stopChan:
						}
					})
				} else {
					// 将数据发送给envoy
					// Otherwise, forward ECDS resource update directly to Envoy.
					forwardToEnvoy(con, resp)
				}
			}
		}
	}
}
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envoy->istiod

func (p *XdsProxy) handleUpstreamRequest(con *ProxyConnection) {
	initialRequestsSent := atomic.NewBool(false)
	go func() {
		for {
			// recv xds requests from envoy
            // 接受envoy传来的数据
			req, err := con.downstream.Recv()
			if err != nil {
				select {
				case con.downstreamError <- err:
				case <-con.stopChan:
				}
				return
			}

			// forward to istiod
            // 发送给istiod
			con.sendRequest(req)
		}
	}()
}
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总结

至此agnet流程分析结束,本文还有主要分析了证书的使用,对于status判断,审计,日志等没有进行分析.
本文感觉agent的配置有些混乱有些用法重复.
可能有同学观察到,SDSserver中有xdsserver,它与xdsproxy有什么不一样的地方嘛?
这里讲解一下,sds对于证书的修改与推送采用的是istiod推送到envoy的那套机制,推送到管道,管道获取后判断资源类型然后生成envoy识别的配置下发.由于sds并不需要监控那么多资源(一个secret资源就够了)所以创建一个xdsserver感觉有些冗余.
xdsproxy主要用于envoy<->istiod的通讯