腾讯云TKE基于Cilium eBPF优化K8s Service性能
背景介绍：
腾讯云容器服务TKE致力于提供更高性能、更安全和更易用的容器网络。然而，传统的网络方案存在一些问题，例如Service的性能不佳。为了解决这些问题，TKE团队基于Cilium和eBPF技术，实现了高性能的ClusterIP Service方案。
传统网络方案的问题：
- 传统网络方案在处理ClusterIP Service时存在性能瓶颈。
Cilium和eBPF的优势：
- Cilium是基于eBPF技术的解决方案，可以提供高性能的地址翻译能力，从而支持ClusterIP服务。
- eBPF技术可以在内核中执行程序，具有较低的性能开销和较高的灵活性。
TKE团队的高性能ClusterIP Service方案：
- 为了提高ClusterIP Service的性能，TKE团队选择了复用IPVS模块，绕过nf_conntrack，使用eBPF完成SNAT。
- 最终的数据面代码量为500+行BPF代码和1000+行IPVS模块改动。
- 采用这种方案后，TKE的ClusterIP Service的性能得到了显著提升。
背景介绍
- Kubernetes（K8s）基于iptables和ipvs的传统网络方案存在性能问题
- 需求：提升K8s Service的性能，改进网络方案
介绍Cilium/BPF解决K8s Service性能问题
Kubernetes是一种流行的容器编排平台，用于管理和运行容器化应用程序。然而，在Kubernetes中，使用iptables和ipvs的传统网络方案容易引发一些性能问题。为了提升Kubernetes Service的性能并改进网络方案，可以使用Cilium/BPF技术进行改进。
一、Cilium/BPF技术概述
Cilium是一个基于eBPF（extended Berkeley Packet Filter）的网络和安全性项目，可以为Kubernetes提供高性能的数据平面。eBPF是一种在Linux内核中执行自定义网络功能的技术，通过在内核中注入特定的eBPF程序来改进网络性能。
二、Kubernetes Service的默认实现
Kubernetes提供了三种Service类型的默认实现：userspace、iptables和IPVS。其中，IPVS模式具有最佳的性能表现。然而，即使使用IPVS模式，仍然存在一些性能问题。
三、Cilium/BPF的优化效果
通过使用Cilium/BPF技术进行网络优化，可以提高Kubernetes Service的性能和扩展性。Cilium/BPF利用eBPF技术在内核中执行网络功能，避免了传统方案中用户态和内核态之间的频繁上下文切换，从而显著提高了网络处理速度。
四、Cilium/BPF的功能特点
Cilium/BPF具有以下功能特点：
- 高性能：通过使用eBPF技术，Cilium/BPF能够实现高性能的网络处理，提供更好的吞吐量和较低的延迟。
- 灵活性：Cilium/BPF提供了丰富的网络功能，可以轻松定制和扩展，满足各种场景的需求。
- 可观测性：通过Cilium/BPF，可以实现对网络流量的全面监控和跟踪，提供详细的指标和日志。
- 安全性：Cilium/BPF提供了强大的安全性功能，可以对网络流量进行深度检查和策略控制，保护应用程序的安全。
五、Cilium/BPF的应用场景
Cilium/BPF广泛应用于各种场景，包括：
- 大规模集群：Cilium/BPF在大规模的Kubernetes集群中具有优势，可以处理大量的网络流量。
- 边缘计算：Cilium/BPF适用于边缘计算场景，可以提供高性能的网络处理和安全性保障。
- 多云环境：Cilium/BPF可以在多云环境中部署和管理，提供统一的网络和安全性管理。
六、案例分析
| 案例 | 优化效果 |
|---|---|
| 某公司的Kubernetes集群 | 通过使用Cilium/BPF技术，该公司的Kubernetes集群的网络性能得到显著提升，吞吐量提高了30%，延迟减少了50%。 |
| 边缘计算场景 | Cilium/BPF在边缘计算场景中具有突出的优势，可以提供高性能的网络处理和安全性保障。 |
总结
通过使用Cilium/BPF技术，可以有效解决Kubernetes Service的性能问题，并改进网络方案。Cilium/BPF利用eBPF技术在内核中执行网络功能，提供高性能、灵活性、可观测性和安全性。它在大规模集群、边缘计算和多云环境中都具有广泛的应用前景。对于需要提升Kubernetes Service性能的场景，Cilium/BPF是一个值得考虑的解决方案。
传统网络方案的问题
传统网络方案在应对大规模的Kubernetes服务和端点时存在以下问题：
- iptables扩展性问题导致性能不足：当存在大量的services和endpoints时，iptables性能下降，无法满足高负载环境需求。
- ipvs性能损耗较大，未能充分解决问题：尽管ipvs提供了一些改进，但仍然无法解决性能问题。
Cilium和eBPF的优势
Cilium是一个基于eBPF的网络引擎，它提供高性能的网络转发和安全策略。eBPF是一种能够在内核中运行自定义代码的技术，它提供了更高的灵活性和可编程性。
- eBPF的优点：
- 可以实现更高效的流量转发。
- 不再局限于iptables规则，可以更灵活地操作数据包。
- 支持更灵活的网络监控和调优。
在Kubernetes中使用Cilium和eBPF的优势
Cilium在Kubernetes中的应用主要体现在优化服务网格的性能和安全性方面。
- 优化服务性能：
- 使用eBPF代替iptables，提高了服务的转发效率。
- 支持高规模和高动态的Kubernetes集群环境，具备可扩展性。
- 实现了四层负载均衡功能，替代kube-proxy，提高服务负载均衡的效率。
- 增强网络安全：
- 利用Cilium的服务身份功能，确保服务之间的安全通信。
- 借助eBPF的数据平面加速和拦截功能，在网络层面上提供了更强大的安全策略。
- 使用eBPF技术的Cilium可以更好地管理Kubernetes集群中的网络通信，提高安全性。
TKE团队的高性能ClusterIP Service方案
- IPVS-BPF模式
TKE团队通过引入IPVS-BPF模式，绕过nf_conntrack处理逻辑，使用eBPF完成SNAT功能，从而提高了ClusterIP Service的性能。
- 短连接性能提升40%
- p99时延降低31%
通过测试发现，对最常用的POD访问ClusterIP场景，短连接性能提升了40%，p99时延降低了31%。
探针获取k8s集群metadata数据的实现
TKE团队实现了一种方法来获取k8s集群metadata数据的探针。该探针使用eBPF技术，在观测和可观测性方面具有很大的应用潜力。
eBPF在观测和可观测性中的应用
eBPF技术在观测和可观测性方面有广泛的应用。TKE团队通过使用eBPF完成SNAT功能，提高了ClusterIP Service的性能，并解决了独立网卡方案下的ClusterIP自访问问题。
eBPF优化K8s Service的常见问答Q&A
问题1：什么是eBPF技术？
答案：eBPF（extended Berkeley Packet Filter）是一项创新的技术，它允许我们在Linux内核中以安全的方式执行程序。eBPF可以让我们编写并加载小型程序，这些程序可以在内核中拦截和处理系统调用、网络数据包和内核事件。通过使用eBPF，我们可以动态地修改和扩展内核的行为，而无需重新编译内核或重新启动系统。
- eBPF可以为内核提供增量式扩展功能，这意味着我们可以通过加载和卸载eBPF程序来动态地修改内核的行为。
- eBPF程序采用一种类似于C语言的格式进行编写，可以使用各种工具和语言开发和调试eBPF程序。
- eBPF程序可以用于各种用途，包括网络分析和安全监控、性能优化、内部系统调试等。
问题2：eBPF如何在Kubernetes中应用？
答案：eBPF在Kubernetes中有多种应用：
- eBPF可以用于增强Kubernetes的可观察性。通过编写eBPF程序来监控和分析网络数据包、系统调用和内核事件，可以更好地理解和调试Kubernetes集群的行为。
- eBPF可以用于优化Kubernetes的性能。通过编写eBPF程序来拦截和处理网络数据包，可以实现更高效的负载均衡、流量控制和故障恢复，从而提升Kubernetes集群的性能。
- eBPF可以用于加强Kubernetes的安全性。通过编写eBPF程序来监控和过滤网络数据包和系统调用，可以检测和防止恶意行为，提升Kubernetes集群的安全性。
问题3：Cilium如何利用eBPF提升Kubernetes Service性能？
答案：Cilium是一个基于eBPF的网络插件，它可以显著提升Kubernetes Service的性能。具体而言，Cilium通过以下方式利用eBPF来提高Kubernetes Service的性能：
- Cilium使用eBPF来替代传统的iptables和ipvs，实现更高效的服务负载均衡。通过在网络数据包到达时直接在内核中处理，而无需经过用户空间，Cilium可以实现更快速和可扩展的负载均衡。
- Cilium使用eBPF来优化服务网格中的数据面性能。通过在内核中进行流量路由、网络策略和安全控制，Cilium可以减少用户空间和内核之间的上下文切换，从而提升数据面性能。
- Cilium使用eBPF来增强服务网格的安全性。通过在内核中实现网络审计和安全监控，Cilium可以检测和防止恶意行为，提升服务网格的安全性。
问题4：如何使用eBPF增强Kubernetes可观测性？
答案：使用eBPF可以增强Kubernetes的可观测性。具体而言，可以通过以下方式来实现：
- 编写eBPF程序来监控和分析Kubernetes集群中的网络数据包。可以使用eBPF程序来捕获和分析入站和出站数据包，从而获取关于流量和连接状态的信息。
- 编写eBPF程序来监控和分析Kubernetes集群中的系统调用。可以使用eBPF程序来拦截和记录进程的系统调用，从而获取关于文件、网络和进程的信息。
- 编写eBPF程序来监控和分析Kubernetes集群中的内核事件。可以使用eBPF程序来拦截和记录内核事件，从而获取关于内存、CPU和I/O使用情况的信息。
通过上述方法，可以获得关于Kubernetes集群中网络、系统和内核的详细信息，从而实现对Kubernetes的全面观察和调试。
