Kubernetes 网络学习之 Cilium 与 eBPF

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云原生指北
     广东
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    这是 Kubernetes 网络学习的第五篇笔记，也是之前计划中的最后一篇。

    开始之前说点题外话，距离上一篇 Flannel CNI 的发布已经快一个月了。这篇本想趁着势头在去年底完成的，正好在一个月内完成计划的所有内容。但上篇发布后不久，我中招了花了一个多周的时间才恢复。然而，恢复后的状态让我有点懵，总感觉很难集中精力，很容易精神涣散。可能接近网上流传的“脑雾”吧，而且 Cilium 也有点类似一团迷雾。再叠加网络知识的不足，eBPF 也未从涉足，学习的过程中断断续续，我曾经一度怀疑这篇会不会流产。

    文章中不免会有问题，如果有发现问题或者建议，望不吝赐教。

    背景

    去年曾经写过一篇文章 《使用 Cilium 增强 Kubernetes 网络安全》 接触过 Cilium，借助 Cilium 的网络策略从网络层面对 pod 间的通信进行限制。但当时我不曾深入其实现原理，对 Kubernetes 网络和 CNI 的了解也不够深入。这次我们通过实际的环境来探寻 Cilium 的网络。

    这篇文章使用的 Cilium 版本是 v1.12.3，操作系统是 Ubuntu 20.04，内核版本是 5.4.0-91-generic。

    Cilium 简介

    Cilium 是一个开源软件，用于提供、保护和观察容器工作负载（云原生）之间的网络连接，由革命性的内核技术 eBPF 推动。

    cilium-on-kubernetes

    eBPF 是什么？

    Linux 内核一直是实现监控/可观测性、网络和安全功能的理想地方。 不过很多情况下这并非易事，因为这些工作需要修改内核源码或加载内核模块， 最终实现形式是在已有的层层抽象之上叠加新的抽象。 eBPF 是一项革命性技术，它能在内核中运行沙箱程序（sandbox programs）， 而无需修改内核源码或者加载内核模块。

    将 Linux 内核变成可编程之后，就能基于现有的（而非增加新的）抽象层来打造更加智能、 功能更加丰富的基础设施软件，而不会增加系统的复杂度，也不会牺牲执行效率和安全性。

    Linux 的内核在网络栈上提供了一组 BPF 钩子，通过这些钩子可以触发 BPF 程序的执行。Cilium datapah 使用这些钩子加载 BPF 程序，创建出更高级的网络结构。

    通过阅读 Cilium 参考文档 eBPF Datapath 得知 Cilium 使用了下面几种钩子：

    • XDP：这是网络驱动中接收网络包时就可以触发 BPF 程序的钩子，也是最早的点。由于此时还没有执行其他操作，比如将网络包写入内存，所以它非常适合运行删除恶意或意外流量的过滤程序，以及其他常见的 DDOS 保护机制。
    • Traffic Control Ingress/Egress：附加到流量控制（traffic control，简称 tc）ingress 钩子上的 BPF 程序，可以被附加到网络接口上。这种钩子在网络栈的 L3 之前执行，并可以访问网络包的大部分元数据。适合处理本节点的操作，比如应用 L3/L4 的端点 1 策略、转发流量到端点。CNI 通常使用虚拟机以太接口对 veth 将容器连接到主机的网络命名空间。使用附加到主机端 veth 的 tc ingress 钩子，可以监控离开容器的所有流量，并执行策略。同时将另一个 BPF 程序附加到 tc egress 钩子，Cilium 可以监控所有进出节点的流量并执行策略 .
    • Socket operations：套接字操作钩子附加到特定的 cgroup 并在 TCP 事件上运行。Cilium 将 BPF 套接字操作程序附加到根 cgroup，并使用它来监控 TCP 状态转换，特别是 ESTABLISHED 状态转换。当套接字状态变为 ESTABLISHED 时，如果 TCP 套接字的对端也在当前节点（也可能是本地代理），则会附加 Socket send/recv 程序。
    • Socket send/recv：这个钩子在 TCP 套接字执行的每个发送操作上运行。此时钩子可以检查消息并丢弃消息、将消息发送到 TCP 层，或者将消息重定向到另一个套接字。Cilium 使用它来加速数据路径重定向。

    因为后面会用到，这里着重介绍了这几种钩子。

    环境搭建

    前面几篇文章，我都是使用 k3s 并手动安装 CNI 插件来搭建实验环境。这次，我们直接使用 k8e，因为 k8e 使用 Cilium 作为默认的 CNI 实现。

    还是在我的 homelab 上做个双节点（ubuntu-dev2: 192.168.1.12、ubuntu-dev3: 192.168.1.13）的集群。

    Master 节点：

    curl -sfL https://getk8e.com/install.sh | API_SERVER_IP=192.168.1.12 K8E_TOKEN=ilovek8e INSTALL_K8E_EXEC="server --cluster-init --write-kubeconfig-mode 644 --write-kubeconfig ~/.kube/config" sh -

    Worker 节点：

    curl -sfL https://getk8e.com/install.sh | K8E_TOKEN=ilovek8e K8E_URL=https://192.168.1.12:6443 sh -

    部署示例应用，将其调度到不同的节点上：

    NODE1=ubuntu-dev2
NODE2=ubuntu-dev3
kubectl apply -n default -f - <<EOF
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  labels:
    app: curl
  name: curl
spec:
  containers:
  - image: curlimages/curl
    name: curl
    command: ["sleep", "365d"]
  nodeName: $NODE1
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  labels:
    app: httpbin
  name: httpbin
spec:
  containers:
  - image: kennethreitz/httpbin
    name: httpbin
  nodeName: $NODE2
EOF

    为了使用方便，将示例应用、cilium pod 等信息设置为环境变量：

    NODE1=ubuntu-dev2
NODE2=ubuntu-dev3

cilium1=$(kubectl get po -n kube-system -l k8s-app=cilium --field-selector spec.nodeName=$NODE1 -o jsonpath='{.items[0].metadata.name}')
cilium2=$(kubectl get po -n kube-system -l k8s-app=cilium --field-selector spec.nodeName=$NODE2 -o jsonpath='{.items[0].metadata.name}')

    Debug 流量

    还是以前的套路，从请求发起方开始一路追寻网络包。这次使用 Service 来进行访问：curl http://10.42.0.51:80/get。

    kubectl get po httpbin -n default -o wide
NAME      READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP           NODE          NOMINATED NODE   READINESS GATES
httpbin   1/1     Running   0          3m   10.42.0.51   ubuntu-dev3   <none>           <none>

    第 1 步：容器发送请求

    检查 pod curl 的路由表：

    kubectl exec curl -n default -- ip route get 10.42.0.51
10.42.0.51 via 10.42.1.247 dev eth0  src 10.42.1.80

    可知网络包就发往以太接口 eth0，然后从使用 arp 查到其 MAC 地址 ae:36:76:3e:c3:03：

    kubectl exec curl -n default -- arp -n
? (10.42.1.247) at ae:36:76:3e:c3:03 [ether]  on eth0

    查看接口 eth0 的信息：

    kubectl exec curl -n default -- ip link show eth0
42: eth0@if43: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noqueue state UP qlen 1000
    link/ether f6:00:50:f9:92:a1 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

    发现其 MAC 地址并不是 ae:36:76:3e:c3:03，从名字上的 @if43 可以得知其 veth 对的索引是 43，接着 登录到节点 NODE1 查询该索引接口的信息：

    ip link | grep -A1 ^43
43: lxc48c4aa0637ce@if42: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether ae:36:76:3e:c3:03 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netns cni-407cd7d8-7c02-cfa7-bf93-22946f923ffd

    我们看到这个接口 lxc48c4aa0637ce 的 MAC 正好就是 ae:36:76:3e:c3:03。

    按照 过往的经验，这个虚拟的以太接口 lxc48c4aa0637ce 是个 虚拟以太网口，位于主机的根网络命名空间，一方面与容器的以太接口 eth0 间通过隧道相连，发送到任何一端的网络包都会直达对端；另一方面应该与主机命名空间上的网桥相连，但是从上面的结果中并未找到网桥的名字。

    通过 ip link 查看：

    1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether fa:cb:49:4a:28:21 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
3: cilium_net@cilium_host: <BROADCAST,MULTICAST,NOARP,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether 36:d5:5a:2a:ce:80 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
4: cilium_host@cilium_net: <BROADCAST,MULTICAST,NOARP,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether 12:82:fb:78:16:6a brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
5: cilium_vxlan: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether fa:42:4d:22:b7:d0 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
25: lxc_health@if24: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether 3e:4f:b3:56:67:2b brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
33: lxc113dd6a50a7a@if32: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether 32:3a:5b:15:44:ff brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netns cni-07cffbd8-83dd-dcc1-0b57-5c59c1c037e9
43: lxc48c4aa0637ce@if42: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether ae:36:76:3e:c3:03 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netns cni-407cd7d8-7c02-cfa7-bf93-22946f923ffd

    我们看到了多个以太接口：cilium_net、cilium_host、cilium_vxlan、cilium_health 以及与容器网络命名空间的以太接口的隧道对端 lxcxxxx。

    cilium-cross-node

    网络包到了 lxcxxx 这里再怎么走？接下来就轮到 eBPF 出场了。

    注意 cilium_net、cilium_host 和 cilium_health 在文中不会涉及，因此不在后面的图中体现。

    第 2 步：Pod1 LXC BPF Ingress

    进入到当前节点的 cilium pod 也就是前面设置的变量 $cilium1 中使用 bpftool 命令检查附加该 veth 上 BPF 程序。

    kubectl exec -n kube-system $cilium1 -c cilium-agent -- bpftool net show dev lxc48c4aa0637ce
xdp:

tc:
lxc48c4aa0637ce(43) clsact/ingress bpf_lxc.o:[from-container] id 2901

flow_dissector:

    也可以登录到节点 $NODE1 上使用 tc 命令来查询。注意，这里我们指定了 ingress，在文章开头 datapath 部分。因为容器的 eth0 与主机网络命名空间的 lxc 组成通道，因此容器的出口（Egress）流量就是 lxc 的入口 Ingress 流量。同理，容器的入口流量就是 lxc 的出口流量。

    #on NODE1
tc filter show dev lxc48c4aa0637ce ingress
filter protocol all pref 1 bpf chain 0
filter protocol all pref 1 bpf chain 0 handle 0x1 bpf_lxc.o:[from-container] direct-action not_in_hw id 2901 tag d578585f7e71464b jited

    可以通过程序 id 2901 查看详细信息。

    kubectl exec -n kube-system $cilium1 -c cilium-agent -- bpftool prog show id 2901
2901: sched_cls  name handle_xgress  tag d578585f7e71464b  gpl
    loaded_at 2023-01-09T19:29:52+0000  uid 0
    xlated 688B  jited 589B  memlock 4096B  map_ids 572,86
    btf_id 301

    可以看出，这里加载了 BPF 程序 bpf_lxc.o 的 from-container 部分。到 Cilium 的源码 bpf_lxc.c 的 __section("from-container") 部分，程序名 handle_xgress：

    handle_xgress #1
  validate_ethertype(ctx, &proto)
  tail_handle_ipv4 #2
    handle_ipv4_from_lxc #3
      lookup_ip4_remote_endpoint => ipcache_lookup4 #4
      policy_can_access #5
      if TUNNEL_MODE #6
        encap_and_redirect_lxc
          ctx_redirect(ctx, ENCAP_IFINDEX, 0)
      if ENABLE_ROUTING
        ipv4_l3
      return CTX_ACT_OK;

    (1)：网络包的头信息发送给 handle_xgress，然后检查其 L3 的协议。

    (2)：所有 IPv4 的网络包都交由 tail_handle_ipv4 来处理。

    (3)：核心的逻辑都在 handle_ipv4_from_lxc。tail_handle_ipv4 是如何跳转到 handle_ipv4_from_lxc，这里用到了 Tails Call 。Tails call 允许我们配置在某个 BPF 程序执行完成并满足某个条件时执行指定的另一个程序，且无需返回原程序。这里不做展开有兴趣的可以参考 官方的文档。

    (4)：接着从 eBPF map cilium_ipcache 中查询目标 endpoint，查询到 tunnel endpoint 192.168.1.13 ，这个地址是目标所在的节点 IP 地址，类型是。

    kubectl exec -n kube-system $cilium1 -c cilium-agent -- cilium map get cilium_ipcache | grep 10.42.0.51
10.42.0.51/32     identity=15773 encryptkey=0 tunnelendpoint=192.168.1.13   sync

    (5)：policy_can_access 这里是执行出口策略的检查，本文不涉及故不展开。

    (6)：之后的处理会有两种模式：

    • 直接路由：交由内核网络栈进行处理，或者 underlaying SDN 的支持。
    • 隧道：会将网络包再次封装，通过隧道传输，比如 vxlan。

    这里我们使用的也是隧道模式。网络包交给 encap_and_redirect_lxc 处理，使用 tunnel endpoint 作为隧道对端。最终转发给 ENCAP_IFINDEX（这个值是接口的索引值，由 cilium-agent 启动时获取的），就是以太网接口 cilium_vxlan。

    第 3 步：NODE 1 vxlan BPF Egress

    先看下这个接口上的 BPF 程序。

    kubectl exec -n kube-system $cilium1 -c cilium-agent -- bpftool net show dev cilium_vxlan
xdp:

tc:
cilium_vxlan(5) clsact/ingress bpf_overlay.o:[from-overlay] id 2699
cilium_vxlan(5) clsact/egress bpf_overlay.o:[to-overlay] id 2707

flow_dissector:

    容器的出口流量对 cilium_vxlan 来说也是 engress，因此这里的程序是 to-overlay。

    程序位于 bpf_overlay.c 中，这个程序的处理很简单，如果是 IPv6 协议会将封包使用 IPv6 的地址封装一次。这里是 IPv4 ，直接返回 CTX_ACT_OK。将网络包交给内核网络栈，进入 eth0 接口。

    第 4 步：NODE1 NIC BPF Egress

    先看看 BPF 程序。

    kubectl exec -n kube-system $cilium1 -c cilium-agent -- bpftool net show dev eth0
xdp:

tc:
eth0(2) clsact/ingress bpf_netdev_eth0.o:[from-netdev] id 2823
eth0(2) clsact/egress bpf_netdev_eth0.o:[to-netdev] id 2832

flow_dissector:

    egress 程序 to-netdev 位于 bpf_host.c。实际上没做重要的处理，只是返回 CTX_ACT_OK 交给内核网络栈继续处理：将网络包发送到 vxlan 隧道发送到对端，也就是节点 192.168.1.13 。中间数据的传输，实际上用的还是 underlaying 网络，从主机的 eth0 接口经过 underlaying 网络到达目标主机的 eth0 接口。

    第 5 步：NODE2 NIC BPF Ingress

    vxlan 网络包到达节点的 eth0 接口，也会触发 BPF 程序。

    kubectl exec -n kube-system $cilium2 -c cilium-agent -- bpftool net show dev eth0
xdp:

tc:
eth0(2) clsact/ingress bpf_netdev_eth0.o:[from-netdev] id 4556
eth0(2) clsact/egress bpf_netdev_eth0.o:[to-netdev] id 4565

flow_dissector:

    这次触发的是 from-netdev，位于 bpf_host.c 中。

    from_netdev
  if vlan
    allow_vlan
    return CTX_ACT_OK

    对 vxlan tunnel 模式来说，这里的逻辑很简单。当判断网络包是 vxlan 的并确认允许 vlan 后，直接返回 CTX_ACT_OK 将处理交给内核网络栈。

    第 6 步：NODE2 vxlan BPF Ingress

    网络包通过内核网络栈来到了接口 cilium_vxlan。

    kubectl exec -n kube-system $cilium2 -c cilium-agent -- bpftool net show dev cilium_vxlan
xdp:

tc:
cilium_vxlan(5) clsact/ingress bpf_overlay.o:[from-overlay] id 4468
cilium_vxlan(5) clsact/egress bpf_overlay.o:[to-overlay] id 4476

flow_dissector:

    程序位于 bpf_overlay.c 中。

    from_overlay
  validate_ethertype
    tail_handle_ipv4
      handle_ipv4
        lookup_ip4_endpoint 1#
          map_lookup_elem
        ipv4_local_delivery 2#
          tail_call_dynamic 3#

    (1)：lookup_ip4_endpoint 会在 eBPF map cilium_lxc 中检查目标地址是否在当前节点中（这个 map 只保存了当前节点中的 endpoint）。

    kubectl exec -n kube-system $cilium2 -c cilium-agent -- cilium map get cilium_lxc | grep 10.42.0.51
10.42.0.51:0    id=2826  flags=0x0000 ifindex=29  mac=96:86:44:A6:37:EC nodemac=D2:AD:65:4D:D0:7B   sync

    这里查到目标 endpoint 的信息：id、以太网口索引、mac 地址。在 NODE2 的节点上，查看接口信息发现，这个网口是虚拟以太网设备 lxc65015af813d1，正好是 pod httpbin 接口 eth0 的对端。

    ip link | grep -B1 -i d2:ad
29: lxc65015af813d1@if28: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether d2:ad:65:4d:d0:7b brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netns cni-395674eb-172b-2234-a9ad-1db78b2a5beb

kubectl exec -n default httpbin -- ip link
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
28: eth0@if29: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether 96:86:44:a6:37:ec brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid

    (2)：ipv4_local_delivery 的逻辑位于 l3.h 中，这里会 tail-call 通过 endpoint 的 LXC ID（29）定位的 BPF 程序。

    第 7 步：Pod2 LXC BPF Egress

    执行下面的命令并不会找到想想中的 egress to-container（与 from-container）。

    kubectl exec -n kube-system $cilium2 -c cilium-agent -- bpftool net show | grep 29
lxc65015af813d1(29) clsact/ingress bpf_lxc.o:[from-container] id 4670

    前面用的 BPF 程序都是附加到接口上的，而这里是直接有 vxlan 附加的程序直接 tail call 的。to-container 可以在 bpf-lxc.c 中找到。

    handle_to_container
  tail_ipv4_to_endpoint
    ipv4_policy #1
      policy_can_access_ingress
    redirect_ep
      ctx_redirect

    (1)：ipv4_policy 会执行配置的策略

    (2)：如果策略通过，会调用 redirect_ep 将网络包发送到虚拟以太接口 lxc65015af813d1，进入到 veth 后会直达与其相连的容器 eth0 接口。

    第 8 步：到达 Pod2

    网络包到达 pod2，附上一张完成的图。

    cilium-packet-flow

    总结

    说说个人看法吧，本文设计的内容还只是 Cilium 的冰山一角，对于内核知识和 C 语言欠缺的我来说研究起来非常吃力。Cilium 除此之外还有很多的内容，也还没有深入去研究。不得不感叹，Cilium 真是复杂，以我目前的了解，Cilium 维护了一套自己的数据在 BPF map 中，比如 endpoint、节点、策略、路由、连接状态等相当多的数据，这些都是保存在内核中；再就是 BPF 程序的开发和维护成本会随着功能的复杂度而膨胀，很难想象如果用 BPF 程序去开发 L7 的功能会多复杂。这应该是为什么会借助代理去处理 L7 的场景。

    最后分享下学习 Cilium 过程中的经验吧。

    首先是 BPF 程序的阅读，在项目的 bpf 的代码都是静态的代码，里面分布着很多的与配置相关的 if else，运行时会根据配置进行编译。这种情况下可以进入 Cilium pod，在目录 /run/cilium/state/templates 下有应用配置后的源文件，代码量会少很多；在 /run/cilium/state/globals/node_config 下是当前使用的配置，可以结合这些配置来阅读代码。

    脚注

    1. Cilium 通过为容器分配 IP 地址使其在网络上可用。多个容器可以共享同一个 IP 地址，就像 一个 Kubernetes Pod 中可以有多个容器，这些容器之间共享网络命名空间，使用同一个 IP 地址。这些共享同一个地址的容器，Cilium 将其组合起来，成为 Endpoint（端点）。 ↩
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