K8s 网关选型初判:Nginx 还是 Envoy?

作者:张添翼(澄潭)

为了避免混淆,我们先对一些关键定义做一些厘清:

  • 传统网关:未作容器化改造,未启用 K8s,通过流量网关与业务网关两层网关来构建,流量网关提供全局性的、与后端业务无关的策略配置,例如 Tengine 就是典型的流量网关;业务网关提供独立业务域级别的、与后端业务紧耦合策略配置,随着应用架构模式从单体演进到现在的分布式微服务,业务网关也有了新的叫法 - 微服务网关。

  • K8s 网关:即云原生网关,也被称为下一代网关,Ingress 成为 K8s 生态的网关标准,促使流量网关和业务网关,合二为一。基于 Ingress 规范的实现主要分为基于 Nginx 和基于 Envoy 两大阵营,基于 Nginx 的 Nginx Ingress Controller 是目前大多数 K8s 集群的选择,基于 Envoy 的实现作为后起之秀,大有赶超之势。

  • MSE 云原生网关:是基于 Envoy,做了深度优化的云上服务。

本文将从性能和成本、可靠性、安全性 3 方面,对两大开源实现进行比对,希望对正在做 K8s 网关选型的企业有所借鉴。

性能和成本

MSE 云原生网关的吞吐性能几乎是 Nginx Ingress Controller 的一倍,尤其是传输小文本时性能优势会更明显,如下图所示,网关 CPU 使用率达到 30% 时的吞吐对比:

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网关规格:16 核 32 G * 4 节点

ECS 型号:ecs.c7.8xlarge

当 CPU 负载升高时,吞吐差距会更加明显,下图是 CPU 使用率达到 70% 时的情况:

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高负载下 Nginx Ingress Controller 吞吐下降原因是出现了 pod 重启,详情见下一节“可靠性”中的分析。

随着网络安全愈加受重视,现在互联网上已经普遍使用 HTTPS 进行传输加密,在网关侧,用于实现 HTTPS 的 TLS 非对称加密算法是占用 CPU 资源的大头。针对此场景,MSE 云原生网关使用了 CPU SIMD 技术实现了 TLS 加解密算法的硬件加速:

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从上图压测数据可以看出使用 TLS 硬件加速后,相比普通 HTTPS 请求 TLS 握手时延降低一倍,极限 QPS 提升 80%以上。

基于以上数据,使用 MSE 云原生网关,只需一半的资源,就能达到 Nginx Ingress Controller 的吞吐,在做过硬件加速优化的 HTTPS 场景下,吞吐还能进一步提升。

可靠性

前文提到高负载下,Nginx Ingress Controller 会出现 pod 重启导致吞吐下降,导致 pod 重启的原因主要有 2 点:

  • 存活健康检查(livenessProbe)在高负载时容易超时失败,社区在 0.34 版本通过减少冗余检测进行了一定的优化,但问题仍然存在。

  • 在开启了 prometheus 采集监控指标的情况下,高负载时会出现 OOM,导致容器被 kill,详细原因见相关 issue:https://github.com/kubernetes/ingress-nginx/pull/8397

这两个问题,本质上皆是由于 Nginx Ingress Controller 的部署架构不合理导致。其控制面(Go 实现的 Controller)和数据面(Nginx)进程混跑在一个容器内,高负载下,数据面进程和控制面进程出现了 CPU 抢占。其中控制面进程负责了健康检查和监控指标采集,因为没有足够的 CPU 导致请求积压引起 OOM 以及健康检查超时。

这种情况是极危险的,会在高负载下引发网关的雪崩效应,对业务造成严重影响。MSE 云原生网关使用了数据面和控制面隔离的架构,在架构上具备可靠性优势:

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从上图可以看到,MSE 云原生网关并不部署在用户的 K8s 集群中,而是纯托管的模式,这种模式在可靠性上还有更多优势:

  • 不会与业务容器混跑在一个 ECS 节点上
  • 网关的多个实例不会混跑在一个 ECS 节点上
  • 提供网关可用性的 SLA 保障

如果使用 Nginx Ingress Controller 要实现高可靠部署,一般需要独占 ECS 节点,同时还需要部署多个 ECS 节点,来避免单点故障,这种情况下资源成本会直线上升。此外,Nginx Ingress Controller 因为部署在用户集群中,也无法提供网关可用性的 SLA 保障。

安全性

Nginx Ingress Controller 的不同版本都还存在着一些 CVE 漏洞隐患,具体影响版本见下表:

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从 Nginx Ingress Controller 迁移到 MSE 云原生网关后,将一次性修复所有 CVE 漏洞隐患;并且,MSE 云原生网关提供了平滑升级方案,一旦出现新的安全漏洞,可以快速对网关版本进行升级,同时确保升级过程对业务影响最小化。

此外,MSE 云原生网关内置了阿里云 Web 应用防火墙(WAF),相比传统 WAF 用户请求链路更短、RT 更低,且相比Nginx Ingress Controller 可以做到细粒度路由级防护,使用成本是目前阿里云 Web 应用防火墙架构的 2/3。

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MSE 云原生网关

阿里云容器服务应用市场已经上架 MSE 云原生网关,可用于替代默认安装的网关组件 Nginx Ingress Controller。

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MSE 云原生网关在阿里集团内部作为网关中间件已经大规模使用,其强劲的性能和可靠的稳定性已被多年双十一流量所验证。

在 K8s 容器服务场景下,对比默认安装的 Nginx Ingress Controller,主要有以下优势:

  • 更强劲的性能,更合理的架构,可以将网关资源成本降低至少 50%
  • 更好的可靠性和 SLA 保障,纯托管免运维,背靠阿里云技术团队提供支持
  • 更优的安全性保障,一次性解决现存 CVE 安全漏洞隐患,且内置 WAF 防护功能

同时在路由策略、灰度治理、可观测等方面提供了更丰富的功能,并且支持使用多种语言开发自定义的扩展插件,详细对比请参考:https://help.aliyun.com/document_detail/424833.html

平滑迁移方案

部署 MSE 云原生网关并不直接影响原有网关流量,通过 DNS 权重配置可以实现业务流量的平滑迁移,对后端业务完全无感知,核心的流量迁移过程如下图所示:

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完整步骤如下:

  • 步骤一:在容器服务的应用市场中找到 mse-ingress-controller,并安装到目标 ACK 集群

  • 步骤二:在 K8s 中配置 MseIngressConfig (配置指引),自动创建指定规格的 MSE 云原生网关

  • 步骤三:从 Ingress 的 address 字段中获取 MSE 云原生网关的 IP,本地绑定 host,将业务域名解析到该 IP,完成业务测试

  • 步骤四:修改业务域名的 DNS 权重配置,添加云原生网关 IP,并逐步调高权重,进行流量灰度

  • 步骤五:完成灰度后,将业务域名原先的 IP 从 DNS 配置中移除,实现全部流量切到云原生网关

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