开启 Calico eBPF 数据平面实践

简介

Calico 从 v3.13 开始，集成了 eBPF 数据平面。

关于什么是 eBPF, 以及 Calico 为什么引入了 eBPF , 并不是本篇文章的重点，感兴趣的朋友可以自行阅读相关文档。

相比于 Calico 的默认基于 iptables 数据平面，eBPF 具有更高的吞吐量以外， 还具有 source IP preservation 这个功能。

在 K8s 中通常都是直接或者间接以 NodePort 方式对外暴露接口的。而对于 K8s 这个分布式集群来讲，通常情况下，客户端连接 Node Port 端口的节点和负责响应请求的后端业务 Pod 所在的节点不是同一个节点，为了打通整个数据链路，就不可避免的引入了 SNAT。但是这样显然也会带来一个副作用，即业务 Pod 在收到 Packet 以后，其 SRC IP 已经不再是客户端的实际 IP（被伪装成节点的内网 IP ）。另一方面，对于一些业务应用来讲，获取客户端 IP 是一个实实在在的刚需。比如：业务应用需要通过客户端 IP 来获取客户登陆的 geo 信息。

目前 K8s 主要是通过设置 externaltrafficpolicy 来规避这个问题的，但是这个方案本身并不能完全令人满意。Calico 从 v3.13 开始通过集成 eBPF 优雅地解决了这个问题。

在本篇文章中，我们将首先演示通过 KubeKey 创建一个标准的 K8s 集群，并切换数据平面到 eBPF，最后基于该数据平面做一个简单的演示。

前提条件

较新的内核， 一般 v4.18+ 即可。

笔者的测试集群：

部署 K8s 集群

Kubekey 默认的 CNI 插件为 Calico（ipip模式）。这里为了部署方便，直接使用 KubeKey 部署了一个全新的 K8s 集群，版本为 v1.18.6 。KubeKey 的详细用法参见文档。

切换 Calico 数据平面

Calico 支持多种数据平面，通过修改配置可以方便地进行切换，详细信息可以参见官方文档。

主要分为以下几步：

1. 确认 BPF 文件系统已经挂载:

mount | grep "/sys/fs/bpf"

如果能看到以下信息，则代表 BPF 文件系统已经挂载：

2. 创建 Calico 配置文件：

• 首先获取 ks-apiserver endpoints 信息：

kubectl get endpoints kubernetes -o wide

• 由于 KubeKey 是通过 manifest 方式安装的 Calico，这里我们只需要创建一个 cm 即可：

kind: ConfigMap
apiVersion: v1
metadata:
  name: kubernetes-services-endpoint
  namespace: kube-system
data:
  KUBERNETES_SERVICE_HOST: "<API server host>"
  KUBERNETES_SERVICE_PORT: "<API server port>"

• 重启 Calico pods，并等待 Calico Pod 重新变为 Running 状态

kubectl delete pod -n kube-system -l k8s-app=calico-node
kubectl delete pod -n kube-system -l k8s-app=calico-kube-controllers

• 关闭 kube-proxy

kubectl patch ds -n kube-system kube-proxy -p '{"spec":{"template":{"spec":{"nodeSelector":{"non-calico": "true"}}}}}'

• 开启 eBPF 模式

calicoctl patch felixconfiguration default --patch='{"spec": {"bpfEnabled": true}}'

• 由于我们需要保留客户端 IP，所以需要开启 DSR 模式。

calicoctl patch felixconfiguration default --patch='{"spec": {"bpfExternalServiceMode": "DSR"}}'

至此，Calico 的整个网络环境已经配置完毕。

体验

为了验证 Calico 切换到 eBPF 数据平面以后，后端确实可以拿到客户端的真实 IP ，下面我们会在集群中部署一个 Nginx 服务，并通过 nodeport 方式暴露接口。

创建 Nginx 实例并暴露外部接口：

master:~$ kubectl apply -f - <<EOF
---
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  replicas: 1
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx
        ports:
        - containerPort: 80
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx
spec:
  type: NodePort
  selector:
    app: nginx
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      nodePort: 30604
EOF 

等待 Pod 变为 Running 状态：

外部调用 Nginx 服务：

curl http://<external-ip>:30604

查询 Nginx 日志，查看 client IP:

注意：如果集群本身部署在云平台环境中，如果节点位于 VPC 网络当中，需要设置相应的端口转发规则，并开启相应的防火墙端口。

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