1.背景
在集群网络使用cilium之后,最明显的情况就是:服务暴露vip+port,在集群内怎么测试都正常,但集群外访问可能是有问题的。而这就在于cilium所使用的ebpf科技。
2.引子:curl请求的路程
相对底层一点的语言,比如c语言,在创建一个tcp连接时,主要分两步(其它语言可能会更简单):
int socket_desc;
struct sockaddr_in server;
//Create socket
socket_desc = socket(AF_INET , SOCK_STREAM , 0);
server.sin_addr.s_addr = inet_addr("1.1.1.1");
server.sin_family = AF_INET;
server.sin_port = htons( 80 );
//Connect to remote server
if (connect(socket_desc , (struct sockaddr *)&server , sizeof(server)) < 0)
一个连接的创建,主要分两个步骤:
-
创建socket对象
-
发起connect连接
而实际上,在内核层,它经历的步骤会非常多。可以通过perf工具来查看:
perf trace -e 'net:*' -e 'sock:*' -e 'syscalls:*' curl 1.1.1.1 -s >& /dev/stdout
上面的输出很多,而syscalls:sys_enter_socket前面的很长一段,是curl程序打开本身加载动态链接库需要的系统调用。
而本次需要关心的是以下这部分(截取的部分内容):
108.294 curl/15819 syscalls:sys_enter_socket(family: INET, type: STREAM)
108.351 curl/15819 syscalls:sys_exit_socket(__syscall_nr: 41, ret: AX25)
108.939 curl/15819 syscalls:sys_enter_connect(fd: 3, uservaddr: { .family: UNSPEC }, addrlen: 16)
108.991 curl/15819 sock:inet_sock_set_state(skaddr: 0xffff902527424c80, oldstate: 7, newstate: 2, dport: 80, family: 2, protocol: 6, saddr: 0x7f176658943b, daddr: 0x7f176658943f, saddr_v6: 0x7f1766589443, daddr_v6: 0x7f1766589453)
109.090 curl/15819 net:net_dev_queue(skbaddr: 0xffff9024f0a2d4e8, len: 74, name: "enp1s0")
109.140 curl/15819 net:net_dev_start_xmit(name: "enp1s0", skbaddr: 0xffff9024f0a2d4e8, protocol: 2048, ip_summed: 3, len: 74, network_offset: 14, transport_offset_vali
d: 1, transport_offset: 34, gso_segs: 1, gso_type: 1)
从上面可以看出,在定义socket后,接着就是connect连接,而在sock:inet_sock_set_state这一步,有输出地址相关信息,但输出的是内存地址,无法直接查看。能通过bcc工具集中的tcplife来查看。
# 一个终端中运行:
tcplife -D 12345
# 另一个终端中运行:
curl 1.1.1.1:12345
虽然访问的是不存在的地址,但内核也会基于默认路由,走默认网关,将报文发送到enp1s0网卡上。而在sock:inet_sock_set_state可以抓取到源地址与目的地址信息。 既然我们能在sock:inet_sock_set_state点挂载程序,抓取报文信息,那我们是否可以在挂载点,修改socket的目的地址与目的端口信息?
答案是肯定的。但cilium是在cgroup/connect4进行修改的(和上面从perf查出来的不同,但可以通过bcc的工具来验证。cgroup是高版本内核才有的特殊,具体可参考链接,里面有标识内核版本的特性。
那么,这是如何查到的呢?
[root@c7-1 ~]# bpftool prog |grep sock
1653: type 18 name sock6_connect tag d526fd1cb49a372e gpl
1657: cgroup_sock name sock6_post_bind tag e46a7916c9c72e67 gpl
1661: type 18 name sock6_sendmsg tag 19094f9c26d4dddf gpl
1665: type 18 name sock6_recvmsg tag 282bf4c10eff7f73 gpl
1669: type 18 name sock4_connect tag 57eae2cf019378cc gpl
1673: cgroup_sock name sock4_post_bind tag ddd7183184f2e6e9 gpl
1677: type 18 name sock4_sendmsg tag 570ef9d580ce0589 gpl
1681: type 18 name sock4_recvmsg tag 0bdebe7409ceb49f gpl
[root@c7-1 ~]# bpftool prog |grep connect
1653: type 18 name sock6_connect tag d526fd1cb49a372e gpl
1669: type 18 name sock4_connect tag 57eae2cf019378cc gpl
在有运行cilium的机器上,使用bpftool工具查询挂载的程序,发现与socket相关的就是这些。
再到cilium的源代码中,查看对应的代码段定义:
github.com/cilium/cilium/bpf$ grep -i "__section(" *.c
bpf_host.c:__section("from-netdev")
bpf_host.c:__section("from-host")
bpf_host.c:__section("to-netdev")
bpf_host.c:__section("to-host")
bpf_lxc.c:__section("from-container")
bpf_lxc.c:__section("mydebug1")
bpf_lxc.c:__section("mydebug2")
bpf_lxc.c:__section("to-container")
bpf_network.c:__section("from-network")
bpf_overlay.c:__section("from-overlay")
bpf_overlay.c:__section("to-overlay")
bpf_sock.c:__section("cgroup/connect4")
bpf_sock.c:__section("cgroup/post_bind4")
bpf_sock.c:__section("cgroup/bind4")
bpf_sock.c:__section("cgroup/sendmsg4")
bpf_sock.c:__section("cgroup/recvmsg4")
bpf_sock.c:__section("cgroup/getpeername4")
bpf_sock.c:__section("cgroup/post_bind6")
bpf_sock.c:__section("cgroup/bind6")
bpf_sock.c:__section("cgroup/connect6")
bpf_sock.c:__section("cgroup/sendmsg6")
bpf_sock.c:__section("cgroup/recvmsg6")
bpf_sock.c:__section("cgroup/getpeername6")
bpf_xdp.c:__section("from-netdev")
由此,cilium使用的科技就很明显了。
3. 手写ebpf
1. ebpf程序实现
在看cilium源码实现之前,先手写一个最简单的修改目的地址与端口的程序。因为cilium本身框架很复杂,代码也有相关,所以先以最简单的(写死的)程序入手。代码可以参考cilium源码。
#include <bpf/ctx/unspec.h>
#include <bpf/api.h>
#define SKIP_POLICY_MAP 1
#define SKIP_CALLS_MAP 1
#define SYS_REJECT 0
#define SYS_PROCEED 1
# define printk(fmt, ...) \
({ \
const char ____fmt[] = fmt; \
trace_printk(____fmt, sizeof(____fmt), \
##__VA_ARGS__); \
})
__section("cgroup/connect4")
int sock4_connect(struct bpf_sock_addr *ctx )
{
if (ctx->user_ip4 != 0x04030201) { // des ip is 1.2.3.4
return SYS_PROCEED;
}
printk("aa %x ", ctx->user_ip4);
ctx->user_ip4=0x19280a0a; // set to 10.10.40.25
printk("set ok %x,%x", ctx->user_ip4, ctx->user_port);
return SYS_PROCEED;
}
BPF_LICENSE("Dual BSD/GPL");
程序说明:
-
判断目标ip是1.2.3.4才处理(对应16进制顺序相反,是因为系统为小端模式)。
-
输出目的ip,方便debug。
-
修改目的ip为指定的ip。
-
输出设置的结果。
入参bpf_sock_addr,可从cilium的源码中找到相关定义。
mysock.c
/* User bpf_sock_addr struct to access socket fields and sockaddr struct passed
* by user and intended to be used by socket (e.g. to bind to, depends on
* attach type).
*/
struct bpf_sock_addr {
__u32 user_family; /* Allows 4-byte read, but no write. */
__u32 user_ip4; /* Allows 1,2,4-byte read and 4-byte write.
* Stored in network byte order.
*/
__u32 user_ip6[4]; /* Allows 1,2,4,8-byte read and 4,8-byte write.
* Stored in network byte order.
*/
__u32 user_port; /* Allows 1,2,4-byte read and 4-byte write.
* Stored in network byte order
*/
__u32 family; /* Allows 4-byte read, but no write */
__u32 type; /* Allows 4-byte read, but no write */
__u32 protocol; /* Allows 4-byte read, but no write */
__u32 msg_src_ip4; /* Allows 1,2,4-byte read and 4-byte write.
* Stored in network byte order.
*/
__u32 msg_src_ip6[4]; /* Allows 1,2,4,8-byte read and 4,8-byte write.
* Stored in network byte order.
*/
__bpf_md_ptr(struct bpf_sock *, sk);
};
2. 程序加载
基于k8s部署cilium后,cilium会在容器中初始化好环境,我们可以直接使用,省去编译环境、cgroupv2配置的麻烦。
将上面的文件,复制到cilium的容器中(本样例中使用的cilium版本为1.12.7)。
file=./mysock.c
clang -O2 -target bpf -std=gnu89 -nostdinc -emit-llvm -g -Wall -Wextra -Werror -Wshadow -Wno-address-of-packed-member -Wno-unknown-warning-option -Wno-gnu-variable-sized-type-not-at-end -Wdeclaration-after-statement -Wimplicit-int-conversion -Wenum-conversion -I. -I/run/cilium/state/globals -I/var/lib/cilium/bpf -I/var/lib/cilium/bpf/include -D__NR_CPUS__=8 -DENABLE_ARP_RESPONDER=1 -DCALLS_MAP=cilium_calls_lb -c $file -o - | llc -march=bpf -mcpu=v2 -mattr=dwarfris -filetype=obj -o mysock.o
bpftool cgroup detach /run/cilium/cgroupv2 connect4 pinned /sys/fs/bpf/tc/globals/mytest
rm -f /sys/fs/bpf/tc/globals/mytest
tc exec bpf pin /sys/fs/bpf/tc/globals/mytest obj mysock.o type sockaddr attach_type connect4 sec cgroup/connect4
bpftool cgroup attach /run/cilium/cgroupv2 connect4 pinned /sys/fs/bpf/tc/globals/mytest
3.测试
开启四个终端,分别执行如下命令(直接在主机上执行):
# command 1
cat /sys/kernel/debug/tracing/trace_pipe
# command 2
tcpconnect -P 80
# command 3
tcplife -D 80
# command 4
curl 1.2.3.4:80
因为我们会变更目的ip,所以就基于端口来抓包。
-
用tcplife抓包,抓的是上面perf的sock:inet_sock_set_state时的状态。
-
用tcpconnect抓的是connect() syscall时的状态。
4. 自己搭建ebpf环境
1. 挂载cgroup2
mkdir -p /run/cilium/cgroupv2
mount -t cgroup2 none /run/cilium/cgroupv2/
2. 加载ebp程序
因为centos8自带的tc与bpftool版本有点低,所以使用cilium中已经适配好的版本。
docker run -it --name=mytest --network=host --privileged -v $PWD:/hosts/ -v /sys/fs/bpf:/sys/fs/bpf -v /run/cilium/cgroupv2/:/run/cilium/cgroupv2 cilium:v1.12.7 bash
cd /hosts/
# 可以直接用之前编译好的文件
tc exec bpf pin /sys/fs/bpf/tc/globals/mytest obj mysock.o type sockaddr attach_type connect4 sec cgroup/connect4
bpftool cgroup attach /run/cilium/cgroupv2 connect4 pinned /sys/fs/bpf/tc/globals/mytest
很香!你会发现,功能已经实现了。
5. cilium逻辑讲解
-
框架已定型,通过在ebpf中,获取目的ip与目的端口,然后基于映射规则将目的ip与端口进行修改,从而实现vip到目的地址的转换。
-
由于它是在connect阶段做的转换,类似在调用connect函数时注册一个回调函数,和dnat是不同的,所以不需要在回包时转换还原。
cilium service list
这个命令可以查看cilium基于service配置的映射规则,ebpf程序再从这个规则中找到合适的bacend,并修改目的地址,然后完成转换。
6.展望
1. 这个功能可以做什么?
服务暴露关心的主要是两点:1. vip的高可用。2.负载均衡。而这两点,通过本文所介绍的方式都是可以实现的。
1.vip的高可用
-
vip的高可用,其本质就是在服务异常时,可以切换到服务b(这里暂不考虑有状态服务分主备的情况)。
-
当我们在客户端运行ebpf程序时,就不需要这个vip了。在应用时可以配置一个虚拟的地址,比如1.2.3.4,由ebpf程序来决定转换到哪个实际的后端服务。而且当服务a异常后,可以变更映射规则,切换到服务b。这一切对应用都是透明的。
2.负载均衡
-
既然可以将目的地址映射到服务a,那么基于服务a,b,c之间做负载均衡也是可行的。包括设置权重、熔断等。
-
如istio,需要在客户端注入sidecar,运行envoy程序,其实也是相类似的逻辑,只不过它是通过代理实现。除了解析目的地址外,它还支持解析数据包,比如解析http协议,在异常时自动重试,实现服务切换应用无感知。相对于应用来说,只是卡顿了一下。
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ebpf程序能够满足大部分场景,而且很高效。
作者:
沃趣科技产品研发部