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相關(guān)閱讀:《eBPF技術(shù)應(yīng)用云原生網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐系列之kubernetes網(wǎng)絡(luò)》
背景介紹
Kubernetes 中的網(wǎng)絡(luò)功能,主要包括 POD 網(wǎng)絡(luò),service 網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)策略組成。其中 POD 網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)策略,都是規(guī)定了模型,沒有提供默認(rèn)實(shí)現(xiàn)。而 service 網(wǎng)絡(luò)作為 Kubernetes 的特色部分,官方版本持續(xù)演進(jìn)了多種實(shí)現(xiàn):
service 實(shí)現(xiàn)
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說明
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userspace 代理模式
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kube-proxy 負(fù)責(zé) list/watch,規(guī)則設(shè)置,用戶態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)。
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iptables 代理模式
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kube-proxy 負(fù)責(zé) list/watch,規(guī)則設(shè)置。IPtables 相關(guān)內(nèi)核模塊負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)。
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IPVS 代理模式
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kube-proxy 負(fù)責(zé) list/watch,規(guī)則設(shè)置。IPVS 相關(guān)內(nèi)核模塊負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)。
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在 Kubernetes 中先后出現(xiàn)的幾種 Service 實(shí)現(xiàn)中,整體都是為了提供更高的性能和擴(kuò)展性。
Service 網(wǎng)絡(luò),本質(zhì)上是一個(gè)分布式的服務(wù)器負(fù)載均衡,通過 daemonset 方式部署的 kube-proxy,監(jiān)聽 endpoint 和 service 資源,并在 node 本地生成轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)。目前在生產(chǎn)環(huán)境中主要是 iptables 和 IPVS 方式,原理如下:
在本文中,介紹使用 socket eBPF 在 socket 層面完成負(fù)載均衡的邏輯,消除了逐報(bào)文 NAT 轉(zhuǎn)換處理,進(jìn)一步提升 Service 網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)性能。
基于 socket eBPF 的數(shù)據(jù)面實(shí)現(xiàn)
socket eBPF 數(shù)據(jù)面簡(jiǎn)介
無論 kube-proxy 采用 IPVS 還是 tc eBPF 服務(wù)網(wǎng)絡(luò)加速模式,每個(gè)從 pod 發(fā)出網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求都必然經(jīng)過 IPVS 或者 tc eBPF,即 PODServicePOD,隨著流量的增加必然會(huì)有性能開銷, 那么是否可以直接在連接中將 service的clusterIP 的地址直接換成對(duì)應(yīng)的 pod ip。基于 Kube-proxy IPVS 實(shí)現(xiàn)的 service 網(wǎng)絡(luò)服務(wù),是基于逐報(bào)處理 session 的方式來實(shí)現(xiàn)。
利用 socket eBPF,可以在不用直接處理報(bào)文和 NAT 轉(zhuǎn)換的前提下,實(shí)現(xiàn)了負(fù)載均衡邏輯。Service 網(wǎng)絡(luò)在同步上優(yōu)化成 PODPOD,從而使Service 網(wǎng)絡(luò)性能基本等同于 POD 網(wǎng)絡(luò)。軟件結(jié)構(gòu)如下:
在 Linux 內(nèi)核中,利用 BPF_PROG_TYPE_CGROUP_SOCK 類型的 eBPF hook 可以針對(duì) socket 系統(tǒng)調(diào)用掛接 hook,插入必要的 EBPF 程序。
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通過 attach 到特定的 cgroup 的文件描述符,可以控制 hook 接口的作用范圍。
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利用 sock eBPF hook,我們可以在 socket 層面劫持特定的 socket 接口,來完成完成負(fù)載均衡邏輯。
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POD-SVC-POD 的轉(zhuǎn)發(fā)行為轉(zhuǎn)換成 POD-POD 的轉(zhuǎn)發(fā)行為。
當(dāng)前 Linux 內(nèi)核中不斷完善相關(guān)的 hook,支持更多的 bpf_attach_type,部分距離如下:BPF_CGROUP_INET_SOCK_CREATEBPF_CGROUP_INET4_BINDBPF_CGROUP_INET4_CONNECTBPF_CGROUP_UDP4_SENDMSGBPF_CGROUP_UDP4_RECVMSGBPF_CGROUP_GETSOCKOPTBPF_CGROUP_INET4_GETPEERNAMEBPF_CGROUP_INET_SOCK_RELEASE
TCP 工作流程
TCP 由于是有基于連接的,所以實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)明,只需要 hook connect 系統(tǒng)調(diào)用即可,如下所示:connect 系統(tǒng)調(diào)用劫持邏輯:1. 從 connect 調(diào)用上下文中取 dip dport,查找 svc 表。找不到則不處理返回。
2. 查找親和性會(huì)話,如果找到,得到 backend_id,轉(zhuǎn) 4。否則轉(zhuǎn) 3。
3. 隨機(jī)調(diào)度,分配一個(gè) backend。
4. 根據(jù) backend_id,查 be 表,得到 be 的 IP 端口。
5. 更新親和性信息。
6. 修改 connect 調(diào)用上下文中的 dip dport 為 be 的 ip port。
7. 完成。
在 socket 層面就完成了端口轉(zhuǎn)換,對(duì)于 TCP 的 clusterip 訪問,基本上可以等同于 POD 之間東西向的通信,將 clusterip 的開銷降到最低。
-
不需要逐包的 dnat 行為。
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不需要逐包的查找 svc 的行為。
UDP 工作流程
UDP 由于是無連接的,實(shí)現(xiàn)要復(fù)雜一些,如下圖所示:nat_sk 表的定義參見:LB4_REVERSE_NAT_SK_MAP
劫持 connect 和 sendmsg 系統(tǒng)調(diào)用:1. 從系統(tǒng)調(diào)用調(diào)用上下文中取 dip dport,查找 svc 表。找不到則不處理返回。
2. 查找親和性會(huì)話,如果找到,得到 backend_id,轉(zhuǎn) 4,否則轉(zhuǎn) 3。
3. 隨機(jī)調(diào)度,分配一個(gè) backend。
4. 根據(jù) backend_id,查 be 表,得到 be 的 IP 端口。
5. 更新親和性的相關(guān)表。
6. 更新 nat_sk 表,key 為 be 的 ip port,value 為 svc的vip vport。
7. 修改系統(tǒng)調(diào)用上下文中的 dip dport 為 be 的 ip port。
8. 完成。劫持 recvmsg 系統(tǒng)調(diào)用1. 從系統(tǒng)調(diào)用上下文中遠(yuǎn)端 IP port,查找 NAT_SK 表,找不到則不處理返回。
2. 找到,取出其中的 IP port,用來查找 svc 表,找不到,則刪除 nat_sk 對(duì)應(yīng)表項(xiàng),返回。
3. 使用 nat_sk 中找到的 ip port,設(shè)置系統(tǒng)調(diào)用上下文中遠(yuǎn)端的 IP port。
4. 完成。關(guān)于地址修正問題
基于 socket eBPF 實(shí)現(xiàn)的 clusterIP,在上述基本轉(zhuǎn)發(fā)原理之外,還有一些特殊的細(xì)節(jié)需要考慮,其中一個(gè)需要特殊考慮就是 peer address 的問題。和 IPVS之類的實(shí)現(xiàn)不同,在 socket eBPF 的 clusterIP 上,client 是和直接和 backend 通信的,中間的 service 被旁路了?;仡櫼幌罗D(zhuǎn)發(fā)路徑如下:
此時(shí),如果 client 上的 APP 調(diào)用 getpeername 之類的接口查詢 peer address,這個(gè)時(shí)候獲取到的地址和 connect 發(fā)起的地址是不一致的,如果 app對(duì)于 peeraddr 有判斷或者特殊用途,可能會(huì)有意外情況。
針對(duì)這種情況,我們同樣可以通過 eBPF 在 socket 層面來修正:1、在guest kernel 上新增 bpf_attach_type,可以對(duì) getpeername 和 getsockname 增加 hook 處理。
2、發(fā)起連接的時(shí)候,在相應(yīng)的 socket hook 處理中,定義 map 記錄響應(yīng)的VIP:VPort 和 RSIP:RSPort 的對(duì)用關(guān)系。3、當(dāng) APP 要調(diào)用 getpeername/getsockname 接口的時(shí)候,利用 eBPF 程序修正返回的數(shù)據(jù):修改上下文中的遠(yuǎn)端的 IP port為vip vport。
總結(jié)
和TC-EBPF/IPVS性能對(duì)比
測(cè)試環(huán)境:4vcpu 8G mem 的安全容器實(shí)例,單 client 單 clusterip 12 backend。socket BPF:基于 socket ebpf 的 service 實(shí)現(xiàn)。tc eBPF:基于 cls-bpf 的 service 實(shí)現(xiàn),目前已經(jīng)在 ack 服務(wù)中應(yīng)用。IPVS-raw:去掉所有安全組規(guī)則和 veth 之類開銷,只有 IPVS 轉(zhuǎn)發(fā)邏輯的 service 實(shí)現(xiàn)。socket BPF 在所有性能指標(biāo)上,均有不同程度提升。大量并發(fā)的短連接,基本上吞吐提升 15%,時(shí)延降低 20%。轉(zhuǎn)發(fā)性能比較(QPS)90%轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)比較(ms)
繼續(xù)演進(jìn)
eBPF does to Linux what JavaScript does to HTML.-- Brendan Gregg基于 socket eBPF 實(shí)現(xiàn)的 service,大大簡(jiǎn)化了負(fù)載均衡的邏輯實(shí)現(xiàn),充分體現(xiàn)了 eBPF 靈活、小巧的特點(diǎn)。eBPF 的這些特點(diǎn)也很契合云原生場(chǎng)景,目前,該技術(shù)已在阿里云展開實(shí)踐,加速了 kubernetes 服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。我們會(huì)繼續(xù)探索和完善更多的 eBPF 的應(yīng)用案例,比如 IPv6、network policy 等。
——完——
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