Cilium 系列-7-Cilium 的 NodePort 实现从 SNAT 改为 DSR

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前言

将 Kubernetes 的 CNI 从其他组件切换为 Cilium, 已经可以有效地提升网络的性能。但是通过对 Cilium 不同模式的切换/功能的启用，可以进一步提升 Cilium 的网络性能。具体调优项包括不限于：

• 启用本地路由 (Native Routing)
• 完全替换 KubeProxy
• IP 地址伪装 (Masquerading) 切换为基于 eBPF 的模式
• Kubernetes NodePort 实现在 DSR(Direct Server Return) 模式下运行
• 绕过 iptables 连接跟踪 (Bypass iptables Connection Tracking)
• 主机路由 (Host Routing) 切换为基于 BPF 的模式 （需要 Linux Kernel >= 5.10）
• 启用 IPv6 BIG TCP （需要 Linux Kernel >= 5.19）
• 禁用 Hubble（但是不建议，可观察性比一点点的性能提升更重要）
• 修改 MTU 为巨型帧 (jumbo frames) （需要网络条件允许）
• 启用带宽管理器 (Bandwidth Manager) （需要 Kernel >= 5.1）
• 启用 Pod 的 BBR 拥塞控制 （需要 Kernel >= 5.18）
• 启用 XDP 加速 （需要 支持本地 XDP 驱动程序）
• （高级用户可选）调整 eBPF Map Size
• Linux Kernel 优化和升级
  • CONFIG_PREEMPT_NONE=y
• 其他：
  • tuned network-* profiles, 如：tuned-adm profile network-latency 或 network-throughput
  • CPU 调为性能模式
  • 停止 irqbalance，将网卡中断引脚指向特定 CPU

在网络/网卡设备/OS 等条件满足的情况下，我们尽可能多地启用这些调优选项，相关优化项会在后续文章逐一更新。敬请期待。

今天我们来将 Cilium 的 NodePort 实现从 SNAT 改为 DSR 以提升网络性能。

测试环境

• Cilium 1.13.4
• K3s v1.26.6+k3s1
• OS
  • 3 台 Ubuntu 23.04 VM, Kernel 6.2, x86

Direct Server Return (DSR)

默认情况下，Cilium 的 eBPF NodePort 实现以 SNAT 模式运行。也就是说，当节点外部流量到达时，如果节点确定负载平衡器、NodePort 或具有外部 IP 的服务的后端位于远程节点，那么节点就会通过执行 SNAT 将请求重定向到代表自己的远程后端。这不需要额外更改 MTU。代价是，来自后端的回复需要额外跳回节点，在那里执行反向 SNAT 转换，然后再将数据包直接返回给外部客户端。

示例如下，Cilium 的 eBPF NodePort 实现以 SNAT 模式运行：

$ kubectl -n kube-system exec ds/cilium -- cilium status --verbose
...
KubeProxyReplacement Details:
  Status:                 Strict
  Socket LB:              Enabled
  Socket LB Tracing:      Enabled
  Socket LB Coverage:     Full
  Devices:                eth0 192.168.2.3 (Direct Routing)
  Mode:                   SNAT

SNAT 模式下，NodePort 后端 pod 在其他节点入向流量：

出向流量：

该设置可通过 loadBalancer.mode Helm 选项更改为 dsr，以便让 Cilium 的 eBPF NodePort 实现在 DSR 模式下运行。在这种模式下，后端直接回复外部客户端，而不需要额外的跳转，也就是说，后端通过使用服务 IP/port 作为源来回复。DSR 目前要求 Cilium 以本地路由模式部署，也就是说，它不能在任何一种隧道模式下工作。

DSR 模式流量如下：

DSR 模式的另一个优点是保留了客户端的源 IP，因此可以在后端节点对其进行策略匹配。而在 SNAT 模式下则无法做到这一点。鉴于一个特定的后端可被多个服务使用，后端需要知道它们需要回复的服务 IP/端口。

请注意，由于 Cilium 特定的 IP 选项可能会被底层网络结构丢弃，因此 DSR 模式在某些公共云提供商环境中可能无法使用。如果后端位于与处理给定 NodePort 请求的节点相距较远的节点上，在出现服务连接问题时，首先要检查 NodePort 请求是否实际到达了包含后端的节点。如果不是，则建议切换回默认 SNAT 模式作为一种解决方法。

此外，在某些实施源/目标 IP 地址检查的公共云提供商环境中（如 AWS），必须禁用检查才能使用 DSR 模式。

启用 DSR 实施步骤

在启用仅 DSR 模式的无 kube proxy 环境中，上述 Helm 示例配置如下：

helm upgrade cilium cilium/cilium --version 1.13.4 \
    --namespace kube-system \
    --reuse-values \
    --set loadBalancer.mode=dsr

Warning

前提是：

1. 启用本地路由
2. Cilium 完全替换 KubeProxy

验证

$ kubectl -n kube-system exec ds/cilium -- cilium status --verbose|grep DSR
  Mode:                   DSR

性能提升

性能提升可以查看官方的 benchmark:

️️️

总结

本文我们将 Cilium 的 NodePort 实现从 SNAT 模式切换为 DSR 的模式。相比 SNAT 模式，DSR 在"NodePort 后端 pod 在其他节点"时优势明显：

• 网络少了至少一跳
• 可以保留客户端的源 IP

但是在公有云环境上需要注意启用的条件。

至此，性能调优已完成：

• ✔️ 启用本地路由 (Native Routing)
• ✔️ 完全替换 KubeProxy
• ✔️ IP 地址伪装 (Masquerading) 切换为基于 eBPF 的模式
• ✔️ Kubernetes NodePort 实现在 DSR(Direct Server Return) 模式下运行
• 绕过 iptables 连接跟踪 (Bypass iptables Connection Tracking)
• 主机路由 (Host Routing) 切换为基于 BPF 的模式 (需要 Linux Kernel >= 5.10)
• 启用 IPv6 BIG TCP (需要 Linux Kernel >= 5.19)
• 修改 MTU 为巨型帧 (jumbo frames) （需要网络条件允许）
• 启用带宽管理器 (Bandwidth Manager) (需要 Kernel >= 5.1)
• 启用 Pod 的 BBR 拥塞控制 (需要 Kernel >= 5.18)
• 启用 XDP 加速 （需要 支持本地 XDP 驱动程序）

️参考文档

• DSR Mode - Kubernetes Without kube-proxy — Cilium 1.13.4 documentation
• Cilium 1.10: WireGuard, BGP Support, Egress IP Gateway, New Cilium CLI, XDP Load Balancer, Alibaba Cloud Integration and more

三人行, 必有我师; 知识共享, 天下为公. 本文由东风微鸣技术博客 EWhisper.cn 编写.