eBPF 完美搭档：连接云原生网络的 Cilium

Cilium 作为近两年最火的云原生网络方案，可谓是风头无两。作为第一个通过 ebpf 实现了 kube-proxy 所有功能的网络插件，它的神秘面纱究竟是怎样的呢？本文主要介绍 Cilium 的发展演进，功能介绍以及具体使用示例。

背景

随着云原生的普及率越来越高，各大厂商基本上或多或少都实现了业务的 K8s 容器化，头部云计算厂商更是不用说。

而且随着 K8s 的 普及，当前集群逐渐呈现出以下两个特点：

1. 容器数量越来越多，比如：K8s 官方单集群就已经支持 150k pod
2. Pod 生命周期越来越短，Serverless 场景下甚至短至几分钟，几秒钟

随着容器密度的增大，以及生命周期的变短，对原生容器网络带来的挑战也越来越大。

当前 K 8s Service 负载均衡 的实现现状

在 Cilium 出现之前， Service 由 kube-proxy 来实现，实现方式有 userspace，iptables，ipvs 三种模式。

Userspace

当前模式下，kube-proxy 作为反向代理，监听随机端口，通过 iptables 规则将流量重定向到代理端口，再由 kube-proxy 将流量转发到 后端 pod。Service 的请求会先从用户空间进入内核 iptables，然后再回到用户空间，代价较大，性能较差。

Iptables

存在的问题：

1. 可扩展性差。随着 service 数据达到数千个，其控制面和数据面的性能都会急剧下降。原因在于 iptables 控制面的接口设计中，每添加一条规则，需要遍历和修改所有的规则，其控制面性能是O(n²)。在数据面，规则是用链表组织的，其性能是O(n)。
2. LB 调度算法仅支持随机转发。

Ipvs 模式

IPVS 是专门为 LB 设计的。它用 hash table 管理 service，对 service 的增删查找都是 O(1)的时间复杂度。不过 IPVS 内核模块没有 SNAT 功能，因此借用了 iptables 的 SNAT 功能。

IPVS 针对报文做 DNAT 后，将连接信息保存在 nf_conntrack 中，iptables 据此接力做 SNAT。该模式是目前 Kubernetes 网络性能最好的选择。但是由于 nf_conntrack 的复杂性，带来了很大的性能损耗。

Cilium 的发展

Cilium 是基于 eBpf 的一种开源网络实现，通过在 Linux 内核动态插入强大的安全性、可见性和网络控制逻辑，提供网络互通，服务负载均衡，安全和可观测性等解决方案。简单来说可以理解为 Kube-proxy + CNI 网络实现。

Cilium 位于容器编排系统和 Linux Kernel 之间，向上可以通过编排平台为容器进行网络以及相应的安全配置，向下可以通过在 Linux 内核挂载 eBPF 程序，来控制容器网络的转发行为以及安全策略执行。

​

简单了解下 Cilium 的发展历程：

1. 2016 Thomas Graf 创立了 Cilium, 现为 Isovalent (Cilium 背后的商业公司)的 CTO
2. 2017 年 DockerCon 上 Cilium 第一次发布
3. 2018 年 发布 Cilium 1.0
4. 2019 年 发布 Cilium 1.6 版本，100% 替代 kube-proxy
5. 2019 年 Google 全面参与 Cilium
6. 2021 年 微软、谷歌、FaceBook、Netflix、Isovalent 在内的多家企业宣布成立 eBPF 基金会(Linux 基金会下)

功能介绍

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查看官网，可以看到 Cilium 的功能主要包含 三个方面，如上图：

• 网络

  1. 高度可扩展的 kubernetes CNI 插件，支持大规模，高动态的 k8s 集群环境。支持多种租网模式:

     • Overlay 模式，支持 Vxlan 及 Geneve
     • Unerlay 模式，通过 Direct Routing （直接路由）的方式，通过 Linux 宿主机的路由表进行转发
  2. kube-proxy 替代品，实现了 四层负载均衡功能。LB 基于 eBPF 实现，使用高效的、可无限扩容的哈希表来存储信息。对于南北向负载均衡，Cilium 做了最大化性能的优化。支持 XDP、DSR（Direct Server Return，LB 仅仅修改转发封包的目标 MAC 地址）
  3. 多集群的连通性，Cilium Cluster Mesh 支持多集群间的负载，可观测性以及安全管控

• 可观测性

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1. 提供生产可用的可观测性工具 hubble, 通过 pod 及 dns 标识来识别连接信息
2. 提供 L3/L4/L7 级别的监控指标，以及 Networkpolicy 的 行为信息指标
3. API 层面的可观测性 (http,https)
4. Hubble 除了自身的监控工具，还可以对接像 Prometheus、Grafana 等主流的云原生监控体系，实现可扩展的监控策略

• 安全

  1. 不仅支持 k8s Network Policy，还支持 DNS 级别、API 级别、以及跨集群级别的 Network Policy
  2. 支持 ip 端口 的 安全审计日志
  3. 传输加密

总结，Cilium 不仅包括了 kube-proxy + CNI 网络实现，还包含了众多可观测性和安全方面的特性。

安装部署

linux 内核要求 4.19 及以上

可以采用 helm 或者 cilium cli，此处笔者使用的是 cilium cli（版本为 1.10.3）

• 下载 cilium cli

wget https://github.com/cilium/cilium-cli/releases/latest/download/cilium-linux-amd64.tar.gz​
tar xzvfC cilium-linux-amd64.tar.gz /usr/local/bin

• 安装 cilium

wget https://github.com/cilium/cilium-cli/releases/latest/download/cilium-linux-amd64.tar.gz
tar xzvfC cilium-linux-amd64.tar.gz /usr/local/bin

cilium install --kube-proxy-replacement=strict  # 此处选择的是完全替换，默认情况下是 probe，(该选项下 pod hostport 特性不支持)

• 可视化组件 hubble(选装)

cilium hubble enable --ui

• 等待 pod ready 后，查看 状态如下：

~# cilium status​
    /¯¯\​
 /¯¯__/¯¯\    Cilium:         OK​
 __/¯¯__/    Operator:       OK​
 /¯¯__/¯¯\    Hubble:         OK​
 __/¯¯__/    ClusterMesh:    disabled​
    __/​

DaemonSet         cilium             Desired: 1, Ready: 1/1, Available: 1/1​
Deployment        cilium-operator    Desired: 1, Ready: 1/1, Available: 1/1​
Deployment        hubble-relay       Desired: 1, Ready: 1/1, Available: 1/1​
Containers:       hubble-relay       Running: 1​
                  cilium             Running: 1​
                  cilium-operator    Running: 1​
Image versions    cilium             quay.io/cilium/cilium:v1.10.3: 1​
                  cilium-operator    quay.io/cilium/operator-generic:v1.10.3: 1​
                  hubble-relay       quay.io/cilium/hubble-relay:v1.10.3: 1

• cilium cli 还支持 集群可用性检查（可选）

[root@~]# cilium connectivity test​
ℹ️  Single-node environment detected, enabling single-node connectivity test​
ℹ️  Monitor aggregation detected, will skip some flow validation steps​
✨ [kubernetes] Creating namespace for connectivity check...​
✨ [kubernetes] Deploying echo-same-node service...​
✨ [kubernetes] Deploying same-node deployment...​
✨ [kubernetes] Deploying client deployment...​
✨ [kubernetes] Deploying client2 deployment...​
⌛ [kubernetes] Waiting for deployments [client client2 echo-same-node] to become ready...​
⌛ [kubernetes] Waiting for deployments [] to become ready...​
⌛ [kubernetes] Waiting for CiliumEndpoint for pod cilium-test/client-6488dcf5d4-rx8kh to appear...​
⌛ [kubernetes] Waiting for CiliumEndpoint for pod cilium-test/client2-65f446d77c-97vjs to appear...​
⌛ [kubernetes] Waiting for CiliumEndpoint for pod cilium-test/echo-same-node-745bd5c77-gr2p6 to appear...​
⌛ [kubernetes] Waiting for Service cilium-test/echo-same-node to become ready...​
⌛ [kubernetes] Waiting for NodePort 10.251.247.131:31032 (cilium-test/echo-same-node) to become ready...​
⌛ [kubernetes] Waiting for Cilium pod kube-system/cilium-vsk8j to have all the pod IPs in eBPF ipcache...​
⌛ [kubernetes] Waiting for pod cilium-test/client-6488dcf5d4-rx8kh to reach default/kubernetes service...​
⌛ [kubernetes] Waiting for pod cilium-test/client2-65f446d77c-97vjs to reach default/kubernetes service...​
🔭 Enabling Hubble telescope...​
⚠️  Unable to contact Hubble Relay, disabling Hubble telescope and flow validation: rpc error: code = Unavailable desc = connection error: desc = "transport: Error while dialing dial tcp [::1]:4245: connect: connection refused"​
ℹ️  Expose Relay locally with:​
   cilium hubble enable​
   cilium status --wait​
   cilium hubble port-forward&​
🏃 Running tests...

等 hubble 安装完成后，hubble-ui service 修改为 NodePort类型, 即可通过 NodeIP+NodePort 来登录 Hubble 界面 查看相关信息。

​

Cilium 部署完后，有以下几个组件 operator、hubble(ui, relay),Cilium agent（Daemonset 形式，每个节点一个），其中关键组件为 cilium agent。

​

Cilium Agent作为整个架构中最核心的组件，通过DaemonSet的方式，以特权容器的模式，运行在集群的每个主机上。Cilium Agent作为用户空间守护程序，通过插件与容器运行时和容器编排系统进行交互，进而为本机上的容器进行网络以及安全的相关配置。同时提供了开放的API，供其他组件进行调用。

Cilium Agent在进行网络和安全的相关配置时，采用eBPF程序进行实现。Cilium Agent结合容器标识和相关的策略，生成 eBPF 程序，并将 eBPF 程序编译为字节码，将它们传递到 Linux 内核。

相关命令介绍

Cilium agent 中内置了一些调试用的命令，下面介绍，agent 中的 cilium 不同与上述介绍的 cilium cli ( 虽然同为 cilium)。

• cilium status

主要展示  cilium 的一些简单配置信息及状态，如下：

[root@~]# kubectl exec -n kube-system cilium-s62h5 -- cilium status
Defaulted container "cilium-agent" out of: cilium-agent, ebpf-mount (init), clean-cilium-state (init)
KVStore:                Ok   Disabled
Kubernetes:             Ok   1.21 (v1.21.2) [linux/amd64]
Kubernetes APIs:        ["cilium/v2::CiliumClusterwideNetworkPolicy", "cilium/v2::CiliumEndpoint", "cilium/v2::CiliumNetworkPolicy", "cilium/v2::CiliumNode", "core/v1::Namespace", "core/v1::Node", "core/v1::Pods", "core/v1::Service", "discovery/v1::EndpointSlice", "networking.k8s.io/v1::NetworkPolicy"]
KubeProxyReplacement:   Strict   [eth0 10.251.247.131 (Direct Routing)]
Cilium:                 Ok   1.10.3 (v1.10.3-4145278)
NodeMonitor:            Listening for events on 8 CPUs with 64x4096 of shared memory
Cilium health daemon:   Ok
IPAM:                   IPv4: 68/254 allocated from 10.0.0.0/24,
BandwidthManager:       Disabled
Host Routing:           Legacy
Masquerading:           BPF   [eth0]   10.0.0.0/24 [IPv4: Enabled, IPv6: Disabled]
Controller Status:      346/346 healthy
Proxy Status:           OK, ip 10.0.0.167, 0 redirects active on ports 10000-20000
Hubble:                 Ok   Current/Max Flows: 4095/4095 (100.00%), Flows/s: 257.25   Metrics: Disabled
Encryption:             Disabled
Cluster health:         1/1 reachable   (2021-08-11T09:33:31Z)

• cilium service list

展示 service 的实现，使用时可通过 ClusterIP 来过滤，其中，FrontEnd 为 ClusterIP，Backend 为 PodIP。

[root@~]# kubectl exec -it -n kube-system cilium-vsk8j -- cilium service list
Defaulted container "cilium-agent" out of: cilium-agent, ebpf-mount (init), clean-cilium-state (init)
ID    Frontend                 Service Type   Backend
1     10.111.192.31:80         ClusterIP      1 => 10.0.0.212:8888
2     10.101.111.124:8080      ClusterIP      1 => 10.0.0.81:8080
3     10.101.229.121:443       ClusterIP      1 => 10.0.0.24:8443
4     10.111.165.162:8080      ClusterIP      1 => 10.0.0.213:8080
5     10.96.43.229:4222        ClusterIP      1 => 10.0.0.210:4222
6     10.100.45.225:9180       ClusterIP      1 => 10.0.0.48:9180
# 避免过多，此处不一一展示

• cilium service get

通过 cilium service get < ID> -o json 来展示详情：

[root@~]# kubectl exec -it -n kube-system cilium-vsk8j -- cilium service get 132 -o json​
Defaulted container "cilium-agent" out of: cilium-agent, ebpf-mount (init), clean-cilium-state (init)​
{​
  "spec": {​
    "backend-addresses": [​
      {​
        "ip": "10.0.0.213",​
        "nodeName": "n251-247-131",​
        "port": 8080​
      }​
    ],​
    "flags": {​
      "name": "autoscaler",​
      "namespace": "knative-serving",​
      "trafficPolicy": "Cluster",​
      "type": "ClusterIP"​
    },​
    "frontend-address": {​
      "ip": "10.98.24.168",​
      "port": 8080,​
      "scope": "external"​
    },​
    "id": 132​
  },​
  "status": {​
    "realized": {​
      "backend-addresses": [​
        {​
          "ip": "10.0.0.213",​
          "nodeName": "n251-247-131",​
          "port": 8080​
        }​
      ],​
      "flags": {​
        "name": "autoscaler",​
        "namespace": "knative-serving",​
        "trafficPolicy": "Cluster",​
        "type": "ClusterIP"​
      },​
      "frontend-address": {​
        "ip": "10.98.24.168",​
        "port": 8080,​
        "scope": "external"​
      },​
      "id": 132​
    }​
  }​
}

还有很多有用的命令，限于篇幅，此处不一一展示，感兴趣的同学可以尝试探索（cilium status --help）。