云原生网关API标准背景及发展现状

news2024/11/26 18:31:48

Gateway API是一个开源的API标准，源自Kubernetes SIG-NETWORK兴趣组。从出身角度讲，可谓根正苗红，自从开源以来备受关注，被寄予厚望。Gateway API旨在通过声明式、可扩展性和面向角色的接口来发展Kubernetes服务网络，并且希望成为供应商的网关API标准并获得广泛行业支持。简而言之，Gateway API希望取代Ingress API。

Gateway API 项目自2019年开源，但是经历了缓慢的发展，直到2022年7月才发布Beta版本，同时发起了GAMMA（Gateway API for Mesh Management and Administration）。笔者认为这里主要有两方面的原因：

- Ingress存在已久，并且是几乎所有的Ingress Controller的默认实现，Kubernetes的用户早已习惯Ingress，尽管Ingress在易用性和功能丰富度上面存在很大的差距。

- 服务网格或者API网关项目，例如Istio、Linkerd、Kong、Contour、Ambassador等都有自己的API标准，Gateway API用户接受度还不够高。

- 由于Gateway API并没有强大的用户基础，因而缺少功能、体验上的反馈，因而迭代比较缓慢。

什么是GAMMA

GAMMA (Gateway API for Mesh Management and Administration)是Gateway API项目的一个工作组。该小组的目标是调查、设计和跟踪网关API资源、语义，并负责其他与服务网格技术和用户使用场景相关的工件。此外，GAMMA倡导服务网格项目的网关API实现之间的一致性，无论Istio还是Linkerd，大家最好都来遵守这里定义的API规范和标准。GAMMA的Lead团队由来自Google的John Howard（Istio），来自微软的Keith Mattix（Open Service Mesh）和来自HashiCorp的Mike Morris（Consul）组成，在不同组织和服务网格项目的推动下，Gateway API有望统一服务网格API。

推波助澜

KubeCon EUateway API， EG将会使Envoy扩展更加容易。

Envoy上游开源一个网关项目，并且EG是站在Ambassador以及Contour等项目的肩膀上前进，给普通开发者带来无限的遐想。最重要的是，EG是第一个主要实现Gateway API的项目，这一操作也为Gateway API带来新的活力，直接推动Gateway API在7月份发布了Beta版本。

Gateway API生态

前面提到Envoy Gateway项目宣布以Gateway API为唯一的网关标准，并且EG也是唯一一个只遵守Gateway API标准的Ingress网关项目。其他实现者，都是在自身API的基础上，额外支持Gateway API。并且对Gateway API的支持普遍比较初级：

Gateway API绝不仅仅关注南北向流量治理策略的标准，东西向流量也是它所重点覆盖的方向。南北向主要是一些网关项目的领地，东西向是服务网格的领地。当然服务网格如Istio都有自己的Ingress Gateway, 能够对北向流量进行管理。东西向流量从特征上要比南北向流量更多，因为客户端在集群中，可以通过Labels标签表示客户端的属性，通过ServiceAccount标识身份。网格在东西向流量治理时能够充分利用K8s工作负载的标签、身份进行更多的路由、安全策略控制。Gateway API标准在东西向流量这一块目前并没有对等服务网格现有的能力，具体在最后一章再来进行对比。前期Gateway API主要关注的还是南北向的流量治理标准，这与它 “取代Ingress” 的设计初衷相符。

Gateway API设计

Gateway API基于可移植、可扩展、表达性强以及面向不同角色四个原则设计。

- 可移植：相对Ingress来说这一点并不是改进，而是保持与Ingress一致，通过通用的规范，能让更多的网关轻松实现。而Gateway API所追求的领域绝不仅限于南北向网关，而且它还要覆盖服务网格。

- 表达性强：Gateway API支持核心功能，如基于Header匹配、流量权重分隔以及其他功能，这些功能只有在Ingress中通过自定义注释Annotation才能实现。

- 可扩展：Gateway API允许引用其他的自定义资源对象，这使得在API结构中的适当位置进行个性化定制成为可能。

- 面向角色：从上图可见Gateway 由不同的API资源构成，分别为不同的角色设计。其中应用开发者定义HTTPRoute，集群维护者定义Gateway对象，基础设施提供者定义GatewayClass。

本章选取面向角色和可扩展性两个最具代表性的设计原则，详细解释Gateway API的设计。

面向角色的API设计

无论是道路、电力、数据中心还是Kubernetes集群，基础设施都是为共享而构建的。然而，共享基础架构提出了一个共同的挑战--如何为基础架构的用户提供足够的灵活性，同时保持基础架构所有者的独立控制？

Gateway API通过面向角色的设计为K8s服务网络提供灵活的控制，该设计在分布式灵活性和集中控制之间取得了平衡。它允许许多不同的团队使用共享网络基础架构（硬件负载平衡器、云网络、网关等），所有这些团队都受集群维护者设置的策略限制和约束。如下是Gateway API官网的实例，集群维护者通过Gateway定义流量入口，以及TLS Terminate。集群中有两个租户，其中存储开发者在Store命名空间部署了自己的微服务，站点开发者在Site命名空间也部署了自己的微服务。他们在集群网关上共用同一域名，同一端口，因此网关只能通过匹配不同的HTTP Authority来路由客户端的请求。路由策略的设置则是由应用开发者们（Store、Site开发者）自己定义，然后绑定到同一个Gateway上。

下面通过一个官方示例，为大家展示不同的角色如何根据自己的权限来定义服务的治理策略。

集群维护者通过Gateway定义Listener以及允许绑定的路由策略。如下 *shared-gateway*表示在443端口监听连接，通过 *foo-example-com*证书在网关处做TLS终结。

复制代码

```yaml
apiVersion: gateway.networking.k8s.io/v1beta1
kind: Gateway
metadata:
  name: shared-gateway
  namespace: infra-ns
spec:
  gatewayClassName: shared-gateway-class
  listeners:
  - name: https
    hostname: "foo.example.com"
    protocol: HTTPS
    port: 443
    allowedRoutes:
      namespaces:
        from: Selector
        selector:
          matchLabels:
            shared-gateway-access: "true"
    tls:
      certificateRefs:
      - name: foo-example-com
```

复制代码

集群维护者定义只允许以下命名空间的路由策略能够绑定网关，因为它们有shared-gateway-access: "true"标签。

复制代码

```yaml
apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
  name: infra-ns
  labels:
    shared-gateway-access: "true"
---
apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
  name: site-ns
  labels:
    shared-gateway-access: "true"
---
apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
  name: store-ns
  labels:
    shared-gateway-access: "true"
```

复制代码

Store开发者可以定义以下HTTP路由，当请求路径前缀是/store时，将其路由到store服务，同理Site开发者也可以定义自己的路由然后绑定到网关。

复制代码

```yaml
apiVersion: gateway.networking.k8s.io/v1beta1
kind: HTTPRoute
metadata:
  name: store
  namespace: store-ns
spec:
  parentRefs:
  - name: shared-gateway
    namespace: infra-ns
  rules:
  - matches:
    - path:
        value: /store
    backendRefs:
    - name: store
      port: 8080
```

复制代码

这里可以看出，不同角色权限控制比较严格，只有集群维护者允许的路由策略才能绑定到网关上。应用开发者，只能对所拥有的服务具有控制权。

可扩展性-Policy挂载

策略挂载提供了高扩展性，虽然超时，重试，以及个性化的健康检查在一些网关实现中很常见，但是大多数网关的实现方式是不同的，没有统一的API标准。保持这类API的一致性变得艰难，所以Gateway API特意设计了Policy挂载，允许在网关、路由中插入个性化的策略控制。

Ingress策略挂载

Mesh策略挂载

从上图可以看到，无论是Gateway还是HTTPRoute都允许任意引用其他的策略，此设计大大提高了Gateway API的扩展能力。

Gateway API还有多远

Gateway API与其他主流API对比

从上述功能丰富度对比来看，Istio API > Gateway API > Ingress, 然而Gateway API通过Reference其他自定义对象提供的扩展能力明显强于Istio。尽管当前Gateway API没有提供故障注入，超时、重试，限流等策略，但是通过它超强的扩展能力能够很容易做到。

相信通过阅读本文，大家对Gateway API一定充满了好奇，Gateway API距离成熟、大规模商用还有多远？

首先从目前的生态分析，Gateway API被Kubernetes圈普遍认可，包括开源项目、甚至商业服务GKE的支持。归根到底，Gateway API由Kubernetes网络组发起、维护，并且吸引了大量开源网络项目的维护者参与。当然实际背后控制者是Google，Google在开源技术的领导力毋庸置疑。但是不得不认识到，目前所有Gateway API的支持都处于初级阶段。

其次，从兼容性的角度看，一些成熟的项目，比如Istio，用户长期以来习惯了Istio的API标准，Istio社区也不会贸然的废弃原有的API，转而只支持Gateway API。因此这种多种API并存的局面将会持续很久，即使在未来Gateway API成熟了。

最后，前面讲到Gateway API对超时、重试、故障注入等能力预留了扩展能力，但是这种基本的网络能力，Gateway API应该提供标准的API，而不是让用户自己去定义私有的标准。这也违背了Gateway API想要统一服务网络标准的初衷。除此之外，灵活的扩展性如果违背了易用性，显然用户是不会买账的。

综上所述，笔者认为至少在一两年之内，Gateway API将会持续迭代，短时间内很难形成成熟的标准。或许可以期待，2024年以后服务网格和API网关的标准将会统一。 

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