本文最后更新于：December 22, 2022 pm

本文主要介绍在使用了Cilium的K8S集群中如何开启KubeProxyReplacement功能来替代K8S集群原生的kube-proxy组件，同时还会介绍Cilium的几个特色功能如Maglev一致性哈希、DSR模式、Socket旁路和XDP加速等。

关于本文实操使用的K8S集群的部署过程可以参考上一篇文章k8s系列10-使用kube-router和cilium部署BGP模式的k8s集群。此前写的一些关于k8s基础知识和集群搭建的一些方案，有需要的同学可以看一下。

1、配置KubeProxyReplacement

1.1 检查集群状态

关于使用cilium替代kube-proxy的官方文档可以参考这里，需要注意的是我们这里是在已经部署好cilium和kube-proxy的K8S集群上面操作，因此会和官方的全新初始化安装稍有不同，但是大致原理类似。

首先检查一下我们现在的cilium状态，可以看到KubeProxyReplacement参数默认是设置为Disabled

1
2
3

$ kubectl -n kube-system exec ds/cilium -- cilium status | grep KubeProxyReplacement
Defaulted container "cilium-agent" out of: cilium-agent, mount-cgroup (init), apply-sysctl-overwrites (init), mount-bpf-fs (init), clean-cilium-state (init)
KubeProxyReplacement:    Disabled

再检查一下集群中的kube-proxy组件状态，可以看到各个组件都工作正常。

$ kubectl get pods -n kube-system | grep kube-proxy
kube-proxy-86g7b                                                   1/1     Running   1 (18h ago)    19h
kube-proxy-gqbd4                                                   1/1     Running   1 (18h ago)    19h
kube-proxy-gtcqc                                                   1/1     Running   1 (18h ago)    19h
kube-proxy-kdjr9                                                   1/1     Running   1 (18h ago)    19h
kube-proxy-pbj8s                                                   1/1     Running   1 (18h ago)    19h
kube-proxy-tvltv                                                   1/1     Running   1 (18h ago)    19h
$ kubectl get ds -n kube-system | grep kube-proxy
kube-proxy    6         6         6       6            6           kubernetes.io/os=linux   45h
$ kubectl get cm -n kube-system | grep kube-proxy
kube-proxy                           2      45h

1.2 删除kube-proxy

在删除kube-proxy之前我们先备份一下相关的配置

# 在master节点上备份kube-proxy相关的配置
$ kubectl get ds -n kube-system kube-proxy -o yaml > kube-proxy-ds.yaml
$ kubectl get cm -n kube-system kube-proxy -o yaml > kube-proxy-cm.yaml

# 在每台机器上面使用root权限备份一下iptables规则
$ iptables-save > kube-proxy-iptables-save.bak

接下来我们删除kube-proxy相关的daemonset、configmap、iptables规则和ipvs规则。

# 删除掉kube-proxy这个daemonset
$ kubectl -n kube-system delete ds kube-proxy

# 删除掉kube-proxy的configmap，防止以后使用kubeadm升级K8S的时候重新安装了kube-proxy（1.19版本之后的K8S）
$ kubectl -n kube-system delete cm kube-proxy

# 在每台机器上面使用root权限清除掉iptables规则和ipvs规则
$ iptables-save | grep -v KUBE | iptables-restore
$ ipvsadm -C

1.3 配置cilium

删除kube-proxy之后此时的K8S集群应该会处于不正常工作的状态，不用紧张，现在我们开启cilium的kube-proxy-replacement功能来替代kube-proxy。

因为我们集群已经部署了cililum，因此我们可以直接通过修改configmap的方式开启kube-proxy-replacement；修改cilium-config，将kube-proxy-replacement: disabled修改为kube-proxy-replacement: strict

$ kubectl edit cm -n kube-system cilium-config
configmap/cilium-config edited

$ kubectl get cm -n kube-system cilium-config -o yaml | grep kube-proxy-replacement
  kube-proxy-replacement: strict
  
$ kubectl rollout restart ds/cilium deployment/cilium-operator -n kube-system

另外默认情况下cilium不会允许集群外的机器访问clusterip，需要开启这个功能的话可以在配置中添加bpf-lb-external-clusterip: "true"

1 2	`$ kubectl get cm -n kube-system cilium-config -o yaml \| grep bpf-lb-external-clusterip bpf-lb-external-clusterip: "true"`

如果是使用helm来初始化安装或者是更新的话可以考虑添加下面的这两个参数，最后的效果应该是一致的：

需要特别注意如果一开始就是用helm部署的话，这里要加上参数手动指定k8s的apiserver地址和端口。

# 使用helm来更新的话可以添加下面的这几个参数
--set kubeProxyReplacement=strict \
--set bpf.lbExternalClusterIP=true \
--set k8sServiceHost=k8s-cilium-apiserver.tinychen.io \
--set k8sServicePort=8443 \

# 检查一下更新之后的configmap
$ kubectl get cm -n kube-system cilium-config -o yaml | egrep "bpf-lb-external-clusterip|kube-proxy-replacement"
  bpf-lb-external-clusterip: "true"
  kube-proxy-replacement: strict

个人建议使用helm和configmap来管理cilium的配置这两种方式挑一种即可，不要两个方式混用，避免一些配置被覆盖

Cilium的参数比较多，在helm和configmap中的名字不一样，可以参考github上面的配置和官方给出的helm说明

1.4 检测cilium

cilium重启完成之后检测相关的服务状态：

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2
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$ kubectl -n kube-system exec ds/cilium -- cilium status | grep KubeProxyReplacement
Defaulted container "cilium-agent" out of: cilium-agent, mount-cgroup (init), apply-sysctl-overwrites (init), mount-bpf-fs (init), clean-cilium-state (init)
KubeProxyReplacement:    Strict   [eth0 10.31.80.4 (Direct Routing)]

注意这时候cilium里面能够看到的Service Type应该还包含了LoadBalancer和NodePort等类型

$ kubectl -n kube-system exec ds/cilium -- cilium service list
Defaulted container "cilium-agent" out of: cilium-agent, mount-cgroup (init), apply-sysctl-overwrites (init), mount-bpf-fs (init), clean-cilium-state (init)
ID   Frontend             Service Type   Backend
1    10.32.169.6:80       ClusterIP      1 => 10.32.3.93:80 (active)
                                         2 => 10.32.3.85:80 (active)
                                         3 => 10.32.5.204:80 (active)
                                         4 => 10.32.4.25:80 (active)
2    10.32.192.192:80     LoadBalancer   1 => 10.32.3.93:80 (active)
                                         2 => 10.32.3.85:80 (active)
                                         3 => 10.32.5.204:80 (active)
                                         4 => 10.32.4.25:80 (active)
3    10.32.176.164:8080   ClusterIP      1 => 10.32.3.93:80 (active)
                                         2 => 10.32.3.85:80 (active)
                                         3 => 10.32.5.204:80 (active)
                                         4 => 10.32.4.25:80 (active)
4    10.31.80.3:30088     NodePort       1 => 10.32.3.93:80 (active)
                                         2 => 10.32.3.85:80 (active)
                                         3 => 10.32.5.204:80 (active)
                                         4 => 10.32.4.25:80 (active)
5    0.0.0.0:30088        NodePort       1 => 10.32.3.93:80 (active)
                                         2 => 10.32.3.85:80 (active)
                                         3 => 10.32.5.204:80 (active)
                                         4 => 10.32.4.25:80 (active)
6    10.32.131.127:443    ClusterIP      1 => 10.31.80.6:4244 (active)
                                         2 => 10.31.80.3:4244 (active)
                                         3 => 10.31.80.1:4244 (active)
                                         4 => 10.31.80.5:4244 (active)
                                         5 => 10.31.80.4:4244 (active)
                                         6 => 10.31.80.2:4244 (active)
7    10.32.171.0:80       ClusterIP      1 => 10.32.4.114:4245 (active)
8    10.32.128.10:53      ClusterIP      1 => 10.32.5.239:53 (active)
                                         2 => 10.32.5.21:53 (active)
9    10.32.128.10:9153    ClusterIP      1 => 10.32.5.239:9153 (active)
                                         2 => 10.32.5.21:9153 (active)
10   10.32.184.206:80     ClusterIP      1 => 10.32.3.138:8081 (active)
11   10.31.80.3:30081     NodePort       1 => 10.32.3.138:8081 (active)
12   0.0.0.0:30081        NodePort       1 => 10.32.3.138:8081 (active)
13   10.32.172.208:80     ClusterIP      1 => 10.32.3.93:80 (active)
                                         2 => 10.32.3.85:80 (active)
                                         3 => 10.32.5.204:80 (active)
                                         4 => 10.32.4.25:80 (active)
14   10.32.192.0:80       LoadBalancer   1 => 10.32.3.93:80 (active)
                                         2 => 10.32.3.85:80 (active)
                                         3 => 10.32.5.204:80 (active)
                                         4 => 10.32.4.25:80 (active)
15   10.32.188.57:8080    ClusterIP      1 => 10.32.5.220:8080 (active)
16   10.31.80.3:31243     NodePort       1 => 10.32.5.220:8080 (active)
17   0.0.0.0:31243        NodePort       1 => 10.32.5.220:8080 (active)
18   10.32.142.224:8080   ClusterIP      1 => 10.32.4.248:8080 (active)
19   0.0.0.0:31578        NodePort       1 => 10.32.4.248:8080 (active)
20   10.31.80.3:31578     NodePort       1 => 10.32.4.248:8080 (active)
21   10.32.128.1:443      ClusterIP      1 => 10.31.80.1:6443 (active)
                                         2 => 10.31.80.2:6443 (active)
                                         3 => 10.31.80.3:6443 (active)

此时再查看ipvs规则可以看到为空，重启节点后对应的kube-ipvs0网卡也会消失，iptables中的相关规则也不会再生成。

$ ipvsadm -ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
  
$ ip link show kube-ipvs0
Device "kube-ipvs0" does not exist.


$ iptables-save | grep KUBE-SVC
[ empty line ]

此前我们已经配置了该集群的podIP、clusterIP和loadbalancerIP均为集群外路由可达，即可ping通，可正常请求。此时已经开启了cilium的kube-proxy-replacement模式之后，只有pod IP是能正常ping通并请求的；loadbalancerIP和clusterIP都是无法ping通，但是能正常请求；主要原因是cilium本身的eBPF代码默认并没有对loadbalancerIP和clusterIP的icmp数据包进行处理，导致ping请求无法被响应。

	kube-proxy + kube-router	without kube-proxy + kube-router
集群内：Pod IP	ping测试：Y TCP测试：Y UDP测试：Y	ping测试：Y TCP测试：Y UDP测试：Y
集群内：Cluster IP	ping测试：Y TCP测试：Y UDP测试：Y	ping测试：N TCP测试：Y UDP测试：Y
集群内：LoadBalancer IP	ping测试：Y TCP测试：Y UDP测试：Y	ping测试：N TCP测试：Y UDP测试：Y
集群外：Pod IP	ping测试：Y TCP测试：Y UDP测试：Y	ping测试：Y TCP测试：Y UDP测试：Y
集群外：Cluster IP	ping测试：Y TCP测试：Y UDP测试：Y	ping测试：N TCP测试：Y UDP测试：Y
集群外：LoadBalancer IP	ping测试：Y TCP测试：Y UDP测试：Y	ping测试：N TCP测试：Y UDP测试：Y

2、一致性哈希

Cilium官方声称已经实现了完整的四七层代理，因此在切换到它的KubeProxyReplacement模式之后我们可以使用一些cilium的特有功能，比如一致性哈希。

在负载均衡算法中使用传统的哈希算法时，增减一个后端节点都会导致几乎所有的哈希规则进行重新映射，使得原先的客户端会被转发到新的后端节点，这对于缓存服务器来说是非常不友好的。因此在这种场景下一般会使用一致性哈希算法，其特点是当哈希表槽位数（大小）的改变平均只需要对K/n 个关键字重新映射，其中K是关键字的数量，n是槽位数量。也就是说使用了一致性哈希算法之后，可以大幅度减小后端节点变化带来的哈希映射关系变动，从而使得请求转发更加的均匀稳定。

一致性哈希算法有很多种具体实现，而Cilium主要是通过实现谷歌此前开源的Maglev的一种变体来达到一致性哈希的效果，这提高了发生故障时的弹性并提供了更好的负载平衡属性。因为添加到集群的节点将在整个集群中为给定的 5 元组做出一致的后端选择，而无需与其他节点同步状态。Cilium声称可以在后端出现变动的时候将影响控制到1%以内。

这里需要解释一下这两个特定于 Maglev 的参数：maglev.tableSize 和maglev.hashSeed。

maglev.tableSize用来指定maglev查找单个服务的表的大小，maglev建议该值(M) 应远大于实际的最大后端节点数量 (N)，实际上我们为了实现后端出现变动的时候将影响控制到1%以内的目标，需要将M的值设置成大于N的100倍才比较合理，另外M必须是一个质数，Cilium默认将M设置为16381（对应最大后端节点数量在160左右）。下表是cilium给出的一些可以使用的参考值，我们可以根据自己的实际业务进行调整：

`maglev.tableSize` value
251
509
1021
2039
4093
8191
16381
32749
65521
131071

maglev.hashSeed则是用来设置maglev算法的seed值，官方推荐设置，这样就不需要依赖内置的seed值。该值每台机器需要一致，这样才能保证每台机器的哈希结果一致。maglev.hashSeed应该是一个base64编码的12位随机字符串，可以使用head -c12 /dev/urandom | base64 -w0命令生成。

配置maglev算法和hash相关参数，主要配置三个值：

# 首先随机生成一个SEED值用于哈希算法
$ head -c12 /dev/urandom | base64 -w0
djthA7ezcQmtolON

$ kubectl get cm -n kube-system cilium-config -o yaml | egrep "bpf-lb-algorithm|bpf-lb-maglev-hash-seed|bpf-lb-maglev-table-size"
  bpf-lb-algorithm: maglev
  bpf-lb-maglev-hash-seed: djthA7ezcQmtolON
  bpf-lb-maglev-table-size: "65521"


SEED=$(head -c12 /dev/urandom | base64 -w0)
# 使用helm来更新的话可以添加下面的参数
--set loadBalancer.algorithm=maglev \
--set maglev.tableSize=65521 \
--set maglev.hashSeed=$SEED \

注意开启了maglev一致性哈希之后，因为需要维护哈希表，所以cilium的ds进程会占用更多的内存；同时需要注意的是maglev一致性哈希只会对集群外部的流量生效（即通过nodeport、externalIP等方式进来的流量），因为对于集群内部的东西流量，往往都是直接转发到对应的pod上面，不需要经过中间的选择转发环节，也就没有maglev一致性哈希的工作环节了。当然，Cilium的一致性哈希支持XDP加速。

3、Direct Server Return (DSR)

默认情况下，Cilium 的 eBPF NodePort转发是通过SNAT模式实现的，也就是说，当节点外部的流量通过诸如LoadBalancer、NodePort等方式进入集群内，并且需要转发到非本node的pod上面时，该node将通过执行SNAT转换将请求转发到对应的后端pod上面。这不需要对数据包的MTU进行变更，代价是后端pod回复数据包的时候需要再次经由node进行reverse SNAT再把请求发回给客户端。

Cilium提供了一个DSR模式来对此场景进行优化，即当数据包转发给后端pod之后，由pod直接返回给客户端，而不再经由node进行转发回复，这样可以减少一跳的转发，并且减少了一次NAT转换。DSR模式需要cilium工作在Native-Routing模式，如果是使用了隧道模式，那么将无法正常工作。

DSR模式相较于SNAT模式的另一个优势就是能够保留客户端的源IP，即后端服务能够根据客户端IP进行更灵活的控制策略。考虑到一个后端pod实际上可能会被多个SVC同时使用，Cilium会在IPv4 Options/IPv6 Destination Option extension header中编码特定的cilium信息，将对应的service IP/port信息传递给后端pod，对应的代价就是报文用来传递实际业务数据的MTU会减小。对于 TCP 服务，Cilium 只对 SYN 数据包的service IP/port进行编码，而不会对后续数据包进行编码。

Cilium还支持混合DSR和SNAT模式，即对TCP连接进行DSR，对UDP连接进行SNAT。当workload主要使用TCP进行数据传输的时候，这可以有效地折中优化转发链路和减小MTU两者的影响。

注意在某些公有云环境中DSR模式可能会不生效，因为底层网络可能会丢弃Cilium特定的IP数据包。如果处理请求的pod不在接受nodeport请求的node上面，那么出现连接问题的时候优先确定数据包是否转发到了对应pod所在的节点上。如果不是这种情况，则建议切换回默认 SNAT 模式作为解决方法。此外，在某些实施源/目标 IP 地址检查（例如 AWS）的公共云提供商环境中，必须禁用检查才能使 DSR 模式工作。

设置loadBalancer.mode为dsr，将对所有服务（TCP+UDP）都使用DSR模式。

$ kubectl get cm -n kube-system cilium-config -o yaml | grep bpf-lb-mode
  bpf-lb-mode: dsr
$ kubectl rollout restart ds/cilium deployment/cilium-operator -n kube-system

# 使用helm来更新的话可以添加下面的参数
--set loadBalancer.mode=dsr

设置loadBalancer.mode为hybrid，将对TCP服务使用DSR模式，UDP服务使用SNT模式。

$ kubectl get cm -n kube-system cilium-config -o yaml | grep bpf-lb-mode
  bpf-lb-mode: hybrid
$ kubectl rollout restart ds/cilium deployment/cilium-operator -n kube-system

# 使用helm来更新的话可以添加下面的参数
--set loadBalancer.mode=hybrid

设置完成之后我们部署一个测试服务，直接返回remote_addr和remote_port，用来验证DSR模式是否正常工作：

key	value
PodIP	10.32.3.126
LoadBalanceIP	10.32.192.80
ClientIP	10.31.88.1
NodeIP	10.31.80.1-6

首先我们查看snat模式下的情况：

当在集群外通过LoadBalanceIP、ClusterIP、NodePort等方式访问的时候，转发路径如下：

1	`Client --> Node --> Pod --> Node --> Client`

此时客户端和pod之间的通信来回都是需要经过Node进行NAT转换。

# bpf-lb-mode: snat
# 我们直接访问podIP，是可以返回客户端的真实IP和端口的
$ curl 10.32.3.126
10.31.88.1:49940
# bpf-lb-mode: snat
# 通过LoadBalancerIP访问，此时返回的IP和端口是node的，而不是真实访问的客户端的
$ curl 10.32.192.80
10.31.80.1:50066

开启了DSR模式之后的转发路径变成下面这样：

1	`Client --> Node --> Pod --> Client`

此时Pod响应客户端的请求不需要再经由Node转发，而是由Pod直接返回给客户端。

# bpf-lb-mode: dsr
# 无论是通过LoadBalancerIP还是podIP访问，都是可以返回客户端的真实IP和端口的
$ curl 10.32.3.126
10.31.88.1:34220
$ curl 10.32.192.80
10.31.88.1:52650

4、Socket 旁路&XDP加速

4.1 Socket LoadBalancer Bypass in Pod Namespace

Cilium对Scoket旁路的全称是Socket LoadBalancer Bypass in Pod Namespace，即对于同一个namspace下的服务，如果namespace中的某个pod通过LoadBalancer来访问同namespace下的另一个服务，实际上请求是会被转发到同namespace中的另一个pod，但是在底层的socket看来，还是由该客户端pod对LoadBalancerIP发起请求产生的socket连接，以及后续需要的NAT转换等操作。

开启了旁路功能之后，可以绕过上述的流程，直接把请求转发给对应的后端pod，缩短转发链路从而提高性能。

$ kubectl get cm -n kube-system cilium-config -o yaml | egrep "bpf-lb-sock-hostns-only"
  bpf-lb-sock-hostns-only: "true"
$ kubectl rollout restart ds/cilium deployment/cilium-operator -n kube-system

# 使用helm来更新的话可以添加下面的参数
 --set socketLB.hostNamespaceOnly=true

4.2 LoadBalancer & NodePort XDP Acceleration

Cilium还支持对外部流量（ExternalIP、NodePort等）服务使用XDP加速从而提高性能表现，由于XDP加速本身依赖Linux内核，同时也对网卡的型号和驱动有要求，因此最好先确定机器对应的网卡驱动（使用ethtool -i eth0查看）和内核版本是否符合需求。官方有给出一份支持列表，对于绝大部分高速网卡和大多数的虚拟机网卡驱动（virtio_net）都是支持的。

$ kubectl get cm -n kube-system cilium-config -o yaml | egrep "bpf-lb-sock-hostns-only"
  bpf-lb-acceleration: native
$ kubectl rollout restart ds/cilium deployment/cilium-operator -n kube-system

# 使用helm来更新的话可以添加下面的参数
 --set loadBalancer.acceleration=native 
 
# 更新完成之后我们可以通过下面的命令来检查效果
$ kubectl -n kube-system exec ds/cilium -- cilium status --verbose | grep XDP
Defaulted container "cilium-agent" out of: cilium-agent, mount-cgroup (init), apply-sysctl-overwrites (init), mount-bpf-fs (init), clean-cilium-state (init)
  XDP Acceleration:       Native

5、Native-Routing-masquerade

注意该功能与是否开启KubeProxyReplacement模式无关，只需要集群开启了Native-routing模式，即确保podIP在集群外路由可达，即可配置该功能。

默认情况下Cilium会开启IP伪装功能，即pod在访问集群外的服务时，源IP会被伪装成所在node节点的IP而不是本身的真实IP，我们可以根据实际需求来进行调整，通过调整enable-ipv(4|6)-masquerade参数可以分别控制IPv4/IPv6网络下的IP伪装功能。

$ kubectl get cm -n kube-system cilium-config -o yaml | egrep "enable-ipv(4|6)-masquerade"
  enable-ipv4-masquerade: "true"
  enable-ipv6-masquerade: "true"
# 当集群内的pod访问集群外部的服务，会返回所在node的IP
$ kubectl -n nginx-quic exec -it deployments/nginx-quic-deployment -- curl ipport.tinychen.com
10.31.80.6:44372
# 当集群内的pod访问集群内部的服务，则返回pod自身的真实IP
$ kubectl -n nginx-quic exec -it deployments/nginx-quic-deployment -- curl 10.32.192.80
10.32.5.96:42688

$ kubectl get cm -n kube-system cilium-config -o yaml | egrep "enable-ipv(4|6)-masquerade"
  enable-ipv4-masquerade: "false"
  enable-ipv6-masquerade: "false"
# 关闭masquerade功能之后，访问集群内外部的服务均可以返回pod自身的IP
$ kubectl -n nginx-quic exec -it deployments/nginx-quic-deployment -- curl ipport.tinychen.com
10.32.5.96:58512
$ kubectl -n nginx-quic exec -it deployments/nginx-quic-deployment -- curl 10.32.192.80
10.32.5.96:36324

cloudnative

centos k8s docker cilium bgp containerd ebpf xdp kube-router

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