基於 Wasm 和 ORAS 簡化擴展服務網格功能

作者 | 王夕寧  阿里雲高級技術專家

本文將介紹如何使用 ORAS 客戶端將具有允許的媒體類型的 Wasm 模塊推送到 ACR 註冊庫（一個 OCI 兼容的註冊庫）中，然後通過 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 創建之後，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，並支持 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，將原始字節轉換爲 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誌、tracing 等。

上圖可以看到：Downstream 作爲連接到 Envoy 併發送請求以及接收響應的客戶端部分， 監聽器 Listener 組件用於綁定到 IP 地址 / 端口並接收來自 Downstream 下游的連接。通過配置 Listener，用戶可以啓用通過代理的流量管理能力，然後使用多個 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 處理之後， 會把請求映射到相應的 Cluster（此處的 Cluster 集羣是指 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 集羣沒有關係），而 Cluster 的作用是負責連接到一組上游節點服務, 並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 分爲三類：

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，對於出站流量來說，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於數據路徑中的 Filter，並形成一組過濾器鏈 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。

爲了更好地理解這些 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，然後請求就會經過這些 Filter Chain 進行處理。具體如下：

備註：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 啓用這些 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：

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

Cons

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：

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，如何以有效並且簡單的方式來管理 Wasm filter 的部署運行，將是雲產品需要解決的一個問題。

OPAS 及 Wasm filter 註冊庫

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 規範標準，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，它的全稱爲 OCI Registry As Storage。ORAS 是 OCI Artifacts 項目的參考實現，可以顯著地簡化 OCI 註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：

oras cli 的使用類似於 docker cli，如下所示：

以阿里雲容器鏡像服務企業版 ACR EE 爲例，作爲企業級雲原生應用製品管理平臺，已經提供了容器鏡像、Helm Chart 以及符合 OCI 規範的製品的生命週期管理。開通之後，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 鏡像規範。

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

阿里雲服務網格 ASM 架構

在阿里雲服務網格 ASM 產品中是如何使用 Wasm 技術呢？首先我們瞭解一下 ASM 產品的技術架構，如下圖所示。作爲業內首個全託管 Istio 兼容的服務網格產品，ASM 的定位是專注打造全託管、安全、穩定、易用的服務網格，以及支持跨地域多集羣、多雲混合雲服務的統一治理。控制平面的組件託管在阿里雲側，與數據面側的用戶集羣解耦獨立，降低用戶使用的複雜度，用戶只需要專注於業務應用的開發部署。在託管模式下，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 集羣的統一流量管理。

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

其中, 從服務網格自身的能力建設來看，ASM 作爲一個託管的服務網格產品，提供了柔性架構，可以支持不同版本的、定製的 Istio 控制面與數據面 Proxy 代理。

在阿里雲 ASM 中使用 Wasm

隨着新架構的優化，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 “託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。

阿里雲服務網格 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 部署到數據面集羣中相應的 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，可以輕鬆擴展 Envoy 的功能並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 實例中是怎樣啓用這個能力的？

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

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

開啓該功能之後，ASM 實例會部署相關組件並執行如下任務：

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

阿里雲服務網格 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：

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後如下，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

總結

在開發階段：

按照如下流程，使用適當的 wasm sdk / 編程語言，創建編譯出一個 wasm 二進制文件，通過使用 oras cli 上傳到 oci 鏡像倉庫中。

在部署運行階段：

首先確認已經在 ASM 中開啓 Wasm 支持能力，然後創建一個 ASMFilterDeployment 自定義資源，注意這個 CR 是在服務網格 ASM 實例對應的 apiserver 中創建。一旦創建，相應的 crd controller 會監聽同步相應的資源，一方面生成一個 Istio EnvoyFilter CR 併發送到 ASM 實例的控制面 apiserver 中，用戶可以查看生成的這個 Istio Envoyfilter CR 是否滿足期望。

另一方面，確認 Workload 部署變更生效，包括：

作爲業內首個全託管 Istio 兼容的服務網格產品，阿里雲服務網格（簡稱 ASM）是一個統一管理微服務應用流量、兼容 Istio 的託管式平臺，專注打造全託管、安全、穩定、易用的服務網格，支持跨地域多集羣、多雲混合雲服務的統一治理。通過流量控制、網格觀測以及服務間通信安全等功能，服務網格 ASM 可以全方位地簡化您的服務治理，併爲運行在異構計算基礎設施上的服務提供統一的管理能力，適用於 Kubernetes 集羣、Serverless Kubernetes 集羣、ECS 虛擬機以及自建集羣。

作者簡介

王夕寧  阿里雲高級技術專家，阿里雲服務網格 ASM 技術負責人，專注於 Kubernetes、服務網格以及其他雲原生領域。之前曾在 IBM 中國開發中心工作，曾擔任專利技術評審委員會主席，作爲架構師和主要開發人員負責或參與了一系列在 SOA 中間件、雲計算等領域的工作，擁有 50 多項相關領域的國際技術專利。曾在多個技術大會如 Kubecon、ArchSummit、雲棲大會等參與技術分享。編寫《服務網格技術解析與實踐》並在多個技術社區發佈文章若干。

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來源：https://mp.weixin.qq.com/s/As0cRMNa0cflJs0I1Uq1pg

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