아키텍처

지원 버전: Istio 1.28+ API 버전: networking.istio.io/v1, security.istio.io/v1 마지막 업데이트: 2026년 2월 19일

Istio의 내부 아키텍처와 네트워킹 메커니즘을 심층적으로 다룹니다.

배경 및 역사는 기본 개념 문서를 참고하세요.

중요 변경사항 (Istio 1.5+):

• Pilot, Citadel, Galley, Mixer는 별도 컴포넌트가 아닙니다
• Istiod라는 단일 바이너리(pilot-discovery)로 통합되었습니다
• Pilot/Citadel/Galley 용어는 기능을 설명하기 위한 역사적 명칭입니다

목차

1. Istio 아키텍처 개요
2. Control Plane: Istiod
3. Data Plane: Envoy Proxy
4. Sidecar Injection 메커니즘
5. iptables와 트래픽 가로채기
6. DNS 처리 메커니즘
7. xDS API 통신
8. Sidecar 리소스를 통한 최적화

Istio 아키텍처 개요

전체 구조

Control Plane vs Data Plane

구분	Control Plane (Istiod)	Data Plane (Envoy)
역할	정책 관리, 구성 배포	실제 트래픽 처리
위치	별도 파드 (일반적으로 1-3개)	모든 애플리케이션 파드
언어	Go	C++
부하	낮음	높음 (모든 트래픽)
확장성	수평 확장 (HA)	자동 (파드당 1개)

Control Plane: Istiod

Istiod 내부 구조

중요: Istio 1.5 이후 Pilot, Citadel, Galley는 별도 컴포넌트가 아닌 Istiod 내부 기능입니다.

Istiod의 주요 기능

참고: 아래 기능들은 Istio 1.28에서 Istiod 내부에 통합되어 있습니다. 역사적 명칭(Pilot, Citadel, Galley)은 기능을 설명하기 위해 사용됩니다.

1. Service Discovery (Pilot 기능)

# Kubernetes Service 감지
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: reviews
spec:
  selector:
    app: reviews
  ports:
  - port: 9080

Istiod는 다음을 추적합니다:

• Kubernetes Service
• Endpoints (파드 IP)
• Pod 상태 변화
• 외부 서비스 (ServiceEntry)

2. Traffic Management (Pilot 기능)

Istio CRD를 Envoy 구성으로 변환:

# VirtualService (사용자 정의)
apiVersion: networking.istio.io/v1
kind: VirtualService
metadata:
  name: reviews
spec:
  hosts:
  - reviews
  http:
  - route:
    - destination:
        host: reviews
        subset: v1
      weight: 90
    - destination:
        host: reviews
        subset: v2
      weight: 10

↓ Istiod가 Envoy 구성으로 변환 ↓

{
  "route_config": {
    "weighted_clusters": {
      "clusters": [
        {"name": "outbound|9080|v1|reviews", "weight": 90},
        {"name": "outbound|9080|v2|reviews", "weight": 10}
      ]
    }
  }
}

3. Certificate Management (Citadel 기능)

SPIFFE ID 형식:

spiffe://cluster.local/ns/default/sa/reviews

4. Configuration Validation (Galley 기능)

# 잘못된 설정
apiVersion: networking.istio.io/v1
kind: VirtualService
metadata:
  name: invalid
spec:
  hosts:
  - reviews
  http:
  - route:
    - destination:
        host: non-existent-service  # ❌ 존재하지 않는 서비스

Istiod는 적용 전에 검증:

$ kubectl apply -f invalid-vs.yaml
Error from server: admission webhook "validation.istio.io" denied the request:
configuration is invalid: host "non-existent-service" not found

Istiod 프로세스 구조

Istio 1.28의 실제 구현:

# Istiod 파드 내부 프로세스
$ kubectl exec -n istio-system deploy/istiod -- ps aux
USER       PID  COMMAND
istio-p+     1  /usr/local/bin/pilot-discovery discovery

# 단일 바이너리 'pilot-discovery'가 모든 기능 수행

주요 포인트:

• Istiod는 pilot-discovery라는 단일 Go 바이너리로 실행됩니다
• Pilot, Citadel, Galley는 코드 레벨의 패키지/모듈로 존재하지만, 별도 프로세스가 아닙니다
• 모든 기능이 하나의 프로세스 내에서 goroutine으로 실행됩니다

Istiod가 제공하는 주요 포트:

포트	프로토콜	용도	기능
15010	gRPC	xDS (legacy)	이전 버전 호환성
15012	gRPC	xDS over TLS	주요 xDS API 엔드포인트
15014	HTTP	Control plane monitoring	메트릭 및 헬스 체크
15017	HTTPS	Webhook	Sidecar injection
8080	HTTP	Debug	디버깅 인터페이스

Istiod 배포

고가용성 구성:

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: istiod
  namespace: istio-system
spec:
  replicas: 3  # HA를 위한 3개 replica
  selector:
    matchLabels:
      app: istiod
  template:
    metadata:
      labels:
        app: istiod
    spec:
      containers:
      - name: discovery
        image: istio/pilot:1.28.0
        resources:
          requests:
            cpu: 500m
            memory: 2Gi

리소스 사용량 (일반적):

• CPU: 0.5 - 2 cores
• Memory: 2 - 4 GB
• 수천 개의 서비스와 파드 처리 가능

Data Plane: Envoy Proxy

Envoy 아키텍처

Envoy의 주요 구성 요소

1. Listeners

포트를 수신하고 연결을 받아들입니다:

{
  "name": "0.0.0.0_15001",
  "address": {
    "socket_address": {
      "address": "0.0.0.0",
      "port_value": 15001
    }
  },
  "filter_chains": [...]
}

Istio의 기본 Listeners:

• 0.0.0.0:15001: 모든 아웃바운드 TCP 트래픽
• 0.0.0.0:15006: 모든 인바운드 TCP 트래픽
• 0.0.0.0:15021: Health check
• 0.0.0.0:15090: Prometheus 메트릭

2. Filters

요청/응답을 처리하는 플러그인:

3. Clusters

업스트림 서비스의 논리적 그룹:

{
  "name": "outbound|9080|v1|reviews.default.svc.cluster.local",
  "type": "EDS",
  "eds_cluster_config": {
    "service_name": "outbound|9080|v1|reviews.default.svc.cluster.local"
  },
  "circuit_breakers": {...},
  "outlier_detection": {...}
}

4. Endpoints

실제 파드 IP 목록:

{
  "cluster_name": "outbound|9080|v1|reviews",
  "endpoints": [
    {
      "lb_endpoints": [
        {"endpoint": {"address": {"socket_address": {"address": "10.244.1.5", "port_value": 9080}}}},
        {"endpoint": {"address": {"socket_address": {"address": "10.244.2.8", "port_value": 9080}}}}
      ]
    }
  ]
}

Envoy 성능

벤치마크 (일반적인 환경):

• 처리량: 10,000+ RPS per core
• 지연 시간 추가: < 1ms (P99)
• 메모리: 50-100 MB (기본 구성)
• CPU: 0.1-0.5 cores (일반적인 부하)

Sidecar Injection 메커니즘

Injection 방식

원본 vs Injection 후

원본 Deployment:

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: reviews
spec:
  template:
    spec:
      containers:
      - name: reviews
        image: reviews:v1
        ports:
        - containerPort: 9080

Injection 후:

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  annotations:
    sidecar.istio.io/status: '{"initContainers":["istio-init"],"containers":["istio-proxy"]}'
spec:
  initContainers:
  - name: istio-init
    image: istio/proxyv2:1.28.0
    command: ['istio-iptables', ...]
    securityContext:
      capabilities:
        add: [NET_ADMIN, NET_RAW]
  containers:
  - name: reviews
    image: reviews:v1
    ports:
    - containerPort: 9080
  - name: istio-proxy
    image: istio/proxyv2:1.28.0
    args: ['proxy', 'sidecar', ...]

Sidecar Injection 활성화

자동 주입 (권장)

Namespace 레벨:

# 네임스페이스에 레이블 추가
kubectl label namespace default istio-injection=enabled

# 이후 해당 네임스페이스에 배포되는 모든 파드에 자동으로 사이드카 주입
kubectl apply -f deployment.yaml

Pod 레벨 (Annotation):

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  annotations:
    sidecar.istio.io/inject: "true"  # 파드별 주입 활성화
spec:
  containers:
  - name: app
    image: myapp:v1

수동 주입

istioctl kube-inject 명령어를 사용하여 YAML 파일에 직접 사이드카를 주입합니다.

# YAML 파일에 사이드카 주입 후 배포
istioctl kube-inject -f deployment.yaml | kubectl apply -f -

# 또는 파일로 저장
istioctl kube-inject -f deployment.yaml -o deployment-injected.yaml
kubectl apply -f deployment-injected.yaml

수동 주입 사용 시나리오:

• 자동 주입을 사용할 수 없는 환경
• CI/CD 파이프라인에서 명시적으로 제어하고 싶을 때
• 디버깅 목적으로 주입된 YAML을 확인하고 싶을 때

iptables와 트래픽 가로채기

istio-init 컨테이너

역할: 파드의 네트워크 트래픽을 Envoy Proxy로 리다이렉트하는 iptables 규칙 설정

iptables 규칙 상세

istio-init가 실행하는 명령:

#!/bin/bash
# istio-iptables 스크립트 (단순화)

# 1. OUTPUT 체인: 애플리케이션의 아웃바운드 트래픽
iptables -t nat -A OUTPUT -p tcp \
  -m owner ! --uid-owner 1337 \  # Envoy UID 제외
  -j REDIRECT --to-port 15001     # Envoy 아웃바운드 포트

# 2. PREROUTING 체인: 파드로 들어오는 인바운드 트래픽
iptables -t nat -A PREROUTING -p tcp \
  -j REDIRECT --to-port 15006     # Envoy 인바운드 포트

# 3. 제외 규칙
# - localhost 트래픽
iptables -t nat -I OUTPUT -d 127.0.0.1/32 -j RETURN

# - Istiod 통신 (15012)
iptables -t nat -I OUTPUT -p tcp --dport 15012 -j RETURN

# - DNS (53)
iptables -t nat -I OUTPUT -p udp --dport 53 -j RETURN

트래픽 흐름 (iptables 적용 후)

iptables 규칙 확인

파드 내부에서 확인:

# 파드에 진입
kubectl exec -it <pod-name> -c istio-proxy -- /bin/bash

# iptables 규칙 확인
iptables -t nat -L -n -v

# OUTPUT 체인
Chain OUTPUT (policy ACCEPT)
target     prot opt source     destination
ISTIO_OUTPUT  tcp  --  0.0.0.0/0  0.0.0.0/0

# ISTIO_OUTPUT 상세
Chain ISTIO_OUTPUT (1 references)
RETURN     all  --  0.0.0.0/0  127.0.0.1           # localhost 제외
RETURN     all  --  0.0.0.0/0  0.0.0.0/0           owner UID match 1337  # Envoy 제외
REDIRECT   tcp  --  0.0.0.0/0  0.0.0.0/0           redir ports 15001  # 나머지 리다이렉트

# PREROUTING 체인
Chain PREROUTING (policy ACCEPT)
ISTIO_INBOUND  tcp  --  0.0.0.0/0  0.0.0.0/0

# ISTIO_INBOUND 상세
Chain ISTIO_INBOUND (1 references)
REDIRECT   tcp  --  0.0.0.0/0  0.0.0.0/0           redir ports 15006

iptables vs eBPF (CNI Plugin)

Istio는 두 가지 트래픽 가로채기 방식을 지원합니다:

방식	장점	단점	사용 시나리오
iptables	간단, 범용적	Init Container 필요	기본 설정
eBPF (CNI)	Init 불필요, 빠름	최신 커널 필요	고성능, Ambient Mode

DNS 처리 메커니즘

Kubernetes DNS 기본 동작

/etc/resolv.conf (파드 내부):

nameserver 10.96.0.10  # kube-dns ClusterIP
search default.svc.cluster.local svc.cluster.local cluster.local
options ndots:5

Envoy의 DNS 처리

Istio에서는 Envoy가 DNS를 처리합니다:

장점:

• CoreDNS 호출 불필요 (성능 향상)
• 동적 Endpoint 업데이트
• 고급 라우팅 (버전, 가중치 등)

DNS Proxy (선택 사항)

Istio 1.8+부터 DNS Proxy 기능 추가:

apiVersion: install.istio.io/v1alpha1
kind: IstioOperator
spec:
  meshConfig:
    defaultConfig:
      proxyMetadata:
        ISTIO_META_DNS_CAPTURE: "true"  # DNS Proxy 활성화

동작 방식:

DNS Proxy iptables 규칙:

# UDP 53번 포트를 Envoy DNS Proxy로 리다이렉트
iptables -t nat -A OUTPUT -p udp --dport 53 \
  -m owner ! --uid-owner 1337 \
  -j REDIRECT --to-port 15053

xDS API 통신

xDS Protocol 개요

xDS: Discovery Service의 약자로, Envoy의 동적 구성 프로토콜입니다.

xDS API 종류

API	이름	역할	예시
LDS	Listener Discovery	수신 포트 구성	15001, 15006
RDS	Route Discovery	HTTP 라우팅 규칙	VirtualService
CDS	Cluster Discovery	업스트림 서비스	DestinationRule
EDS	Endpoint Discovery	파드 IP 목록	Service Endpoints
SDS	Secret Discovery	TLS 인증서	mTLS 인증서

xDS 통신 흐름

xDS 통신 확인

Envoy Admin API로 확인:

# 파드 내부에서
kubectl exec -it <pod-name> -c istio-proxy -- curl localhost:15000/config_dump

# LDS (Listeners)
kubectl exec -it <pod-name> -c istio-proxy -- \
  curl -s localhost:15000/config_dump | jq '.configs[0].dynamic_listeners'

# CDS (Clusters)
kubectl exec -it <pod-name> -c istio-proxy -- \
  curl -s localhost:15000/config_dump | jq '.configs[1].dynamic_active_clusters'

# EDS (Endpoints)
kubectl exec -it <pod-name> -c istio-proxy -- \
  curl -s localhost:15000/clusters | grep -A 5 "reviews"

# RDS (Routes)
kubectl exec -it <pod-name> -c istio-proxy -- \
  curl -s localhost:15000/config_dump | jq '.configs[2].dynamic_route_configs'

istioctl로 확인:

# Listener 구성
istioctl proxy-config listeners <pod-name> -n default

# Cluster 구성
istioctl proxy-config clusters <pod-name> -n default

# Endpoint 구성
istioctl proxy-config endpoints <pod-name> -n default

# Route 구성
istioctl proxy-config routes <pod-name> -n default

Sidecar 리소스를 통한 최적화

문제: 모든 서비스 정보 수신

기본적으로 각 Envoy는 메시 전체의 모든 서비스 정보를 받습니다:

문제점:

• 메모리 사용량 증가
• CPU 사용량 증가 (구성 처리)
• 네트워크 대역폭 낭비
• Istiod 부하 증가

해결책: Sidecar 리소스

Sidecar 리소스로 필요한 서비스만 수신하도록 제한:

apiVersion: networking.istio.io/v1
kind: Sidecar
metadata:
  name: default
  namespace: default
spec:
  egress:
  - hosts:
    - "./*"  # 같은 네임스페이스의 모든 서비스
    - "istio-system/*"  # istio-system의 모든 서비스
    - "production/reviews"  # production 네임스페이스의 reviews만

Sidecar 리소스 예제

1. 네임스페이스 격리

apiVersion: networking.istio.io/v1
kind: Sidecar
metadata:
  name: default
  namespace: team-a
spec:
  egress:
  - hosts:
    - "team-a/*"  # 자신의 네임스페이스만
    - "istio-system/*"  # 시스템 서비스
    - "shared/*"  # 공유 서비스

2. 특정 서비스만 접근

apiVersion: networking.istio.io/v1
kind: Sidecar
metadata:
  name: frontend
  namespace: default
spec:
  workloadSelector:
    labels:
      app: frontend
  egress:
  - hosts:
    - "default/reviews"
    - "default/ratings"
    - "default/details"
  - port:
      number: 443
      protocol: HTTPS
    hosts:
    - "external/*"

3. 외부 서비스만 접근

apiVersion: networking.istio.io/v1
kind: Sidecar
metadata:
  name: external-only
  namespace: default
spec:
  workloadSelector:
    labels:
      app: batch-job
  egress:
  - hosts:
    - "./*"  # 같은 네임스페이스
  outboundTrafficPolicy:
    mode: REGISTRY_ONLY  # ServiceEntry에 등록된 것만

Sidecar 리소스 효과

Before (Sidecar 없음):

• 1000개 서비스 → 1000개 Cluster 구성
• Envoy 메모리: ~500 MB
• 구성 푸시 시간: 5-10초

After (Sidecar 적용):

• 10개 서비스 → 10개 Cluster 구성
• Envoy 메모리: ~80 MB
• 구성 푸시 시간: < 1초

DNS와 Sidecar 통합

apiVersion: networking.istio.io/v1
kind: Sidecar
metadata:
  name: dns-optimized
  namespace: default
spec:
  egress:
  - hosts:
    - "default/reviews"
    - "default/ratings"
  # Envoy는 reviews, ratings의 DNS만 처리
  # 나머지는 CoreDNS로 전달

결과:

• Envoy는 reviews, ratings만 해석
• google.com 등 외부 도메인은 CoreDNS로 전달
• 메모리 및 CPU 절약

참고 자료

공식 문서

• Istio Architecture
• Envoy Proxy
• xDS Protocol
• SPIFFE

역사 및 배경

• Envoy Origin Story - Matt Klein
• Istio Announcement - Google Cloud Blog
• Service Mesh 역사

심화 학습

• Envoy Architecture Overview
• Istio Performance and Scalability
• iptables Tutorial