Cilium 系列 -6- 从地址伪装从 IPtables 切换为 eBPF

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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:

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 status（10.0.0.0/22）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 nonMasqueradeCIDRs 和 masqLinkLocal 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}' 和 --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

• Masquerading — Cilium 1.13.4 documentation