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Cilium系列-6-从地址伪装从IPtables切换为eBPF

东风微鸣
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系列文章

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)切换为给予 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-latencynetwork-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.

今天我们来启用 Cilium eBPF IP 地址伪装(Masquerading)模式以提升网络效率.

测试环境

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

IP 地址伪装(Masquerading)

Pod 使用的 IPv4 地址通常是从 RFC1918 专用地址块中分配的,因此不可公开路由。Cilium 会自动将离开群集的所有流量的源 IP 地址伪装成 node 的 IPv4 地址,因为 node 的 IP 地址已经可以在网络上路由。如下图:

Masquerading

对于 IPv6 地址,只有在使用 iptables 执行模式时才会进行伪装。

如果要禁用该选项:

  • 对于离开主机的 IPv4 流量,可使用选项 enable-ipv4-masquerade:false
  • 对于 IPv6 流量,可使用选项 enable-ipv6-masquerade:false

配置

设置可路由 CIDR

默认行为是排除本地节点 IP 分配 CIDR 范围内的任何目的地。如果 pod IP 可通过更广泛的网络进行路由,则可使用选项:ipv4-native-routing-cidr: 10.0.0.0/8(或 IPv6 地址的 ipv6-native-routing-cidr: fd00::/100)指定该网络,在这种情况下,该 CIDR 范围内的所有目的地都不会被伪装。

设置伪装接口

请参阅下文配置伪装接口。

基于 eBPF 的 IP 地址伪装模式

如果没有明确指定, 默认使用基于 IPTables 的 IP 地址伪装模式. 这是传统的实现方式,可以在所有内核版本上运行。默认配置检查如下:

$ kubectl -n kube-system exec ds/cilium -- cilium status | grep Masquerading
Masquerading:            IPTables [IPv4: Enabled, IPv6: Disabled]

而基于 eBPF 的实现是最有效的实现。它需要 Linux 内核 4.19,并可通过 bpf.masquerade=true helm 选项启用。

当前的实现依赖于 BPF NodePort 功能。未来将移除该依赖关系(GitHub 问题 13732)。

具体命令为:

helm upgrade cilium cilium/cilium \
   --namespace kube-system \
   --reuse-values \
   --set bpf.masquerade=true

伪装只能在运行 eBPF 伪装程序的网卡设备上进行。这意味着,如果输出网卡设备运行了该程序,从 pod 发送到外部地址的数据包将被伪装(伪装到输出网卡设备的 IPv4 地址)。如果未指定,程序将自动连接到 BPF NodePort 网卡设备检测机制选择的网卡设备上。要手动更改,请使用devices helm 选项。使用 cilium status 来确定程序运行在哪些网卡设备上:

$ kubectl -n kube-system exec ds/cilium -- cilium status | grep Masquerading
Masquerading:            BPF   [eth0]   10.0.0.0/22 [IPv4: Enabled, IPv6: Disabled]

如上输出, IPv6: Disabled, 这是因为基于 eBPF 的伪装目前不支持 IPv6 流量。

从上面的输出来看,程序正在 eth0 网卡设备上运行。

基于 eBPF 的伪装可伪装以下 IPv4 L4 协议的数据包:

  • TCP
  • UDP
  • ICMP(仅 Echo request 和 Echo reply)

默认情况下,除了发往其他集群节点的数据包外,所有从 pod 发往 ipv4-native-routing-cidr 范围之外 IP 地址的数据包都会被伪装。排除的 CIDR 显示在上述 cilium status10.0.0.0/22)输出中。

为实现更精细的控制,Cilium 在 eBPF 中实现了 ip-masq-agent,可通过 ipMasqAgent.enabled=true helm 选项启用。

基于 eBPF 的 ip-masq-agent 支持在配置文件中设置 nonMasqueradeCIDRsmasqLinkLocal 选项。从 pod 发送到属于 nonMasqueradeCIDRs 中任何 CIDR 的目的地的数据包都不会被伪装。如果配置文件为空,agent 将提供以下非伪装 CIDR:

  • 10.0.0.0/8
  • 172.16.0.0/12
  • 192.168.0.0/16
  • 100.64.0.0/10
  • 192.0.0.0/24
  • 192.0.2.0/24
  • 192.88.99.0/24
  • 198.18.0.0/15
  • 198.51.100.0/24
  • 203.0.113.0/24
  • 240.0.0.0/4

📝Note

关于使用 ip-masq-agent 的配置, 本次暂不进行演示, 感兴趣的小伙伴可以自行尝试.

此外,如果 masqLinkLocal 未设置或设置为 false,则 169.254.0.0/16 会被附加到非屏蔽 CIDR 列表中。

Agent 使用 Fsnotify 跟踪配置文件的更新

下面的示例展示了如何通过 ConfigMap 配置 agent 并进行验证:

apiVersion: v1
  kind: ConfigMap
  metadata:
    name: ip-masq-agent
  data:
    config: |
      nonMasqueradeCIDRs:
      - 10.0.0.0/8
      - 172.16.0.0/12
      - 192.168.0.0/16
      masqLinkLocal: true
$ kubectl create -n kube-system -f https://raw.githubusercontent.com/cilium/cilium/1.13.4/examples/kubernetes-ip-masq-agent/rfc1918.yaml

$ # Wait ~60s until the ConfigMap is propagated into the configuration file

$ kubectl -n kube-system exec ds/cilium -- cilium bpf ipmasq list
IP PREFIX/ADDRESS
10.0.0.0/8
172.16.0.0/12
192.168.0.0/16

或者,在通过 Helm 安装 Cilium 时,可以通过 --set ipMasqAgent.config.nonMasqueradeCIDRs='{10.0.0.0/8,172.16.0.0/12,192.168.0.0/16}'--set ipMasqAgent.config.masqLinkLocal=false 来配置上述 ip-masq-agent

总结

本文我们将地址伪装从 IPTables 切换为基于 eBPF 的模式. 相比 IPTables 模式, 基于 eBPF 的实现是最有效的实现。

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)切换为给予 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

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.

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