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前言
将 Kubernetes 的 CNI 从其他组件切换为 Cilium, 已经可以有效地提升网络的性能. 但是通过对 Cilium 不同模式的切换/功能的启用, 可以进一步提升 Cilium 的网络性能. 具体调优项包括不限于:
- 启用本地路由(Native Routing)
- 完全替换 KubeProxy
- IP 地址伪装(Masquerading)切换为基于 eBPF 的模式
- Kubernetes NodePort 实现在 DSR(Direct Server Return) 模式下运行
- 绕过 iptables 连接跟踪(Bypass iptables Connection Tracking)
- 主机路由(Host Routing)切换为给予 BPF 的模式 (需要 Linux Kernel >= 5.10)
- 启用 IPv6 BIG TCP (需要 Linux Kernel >= 5.19)
禁用 Hubble(但是不建议, 可观察性比一点点的性能提升更重要)- 修改 MTU 为巨型帧(jumbo frames) (需要网络条件允许)
- 启用带宽管理器(Bandwidth Manager) (需要 Kernel >= 5.1)
- 启用 Pod 的 BBR 拥塞控制 (需要 Kernel >= 5.18)
- 启用 XDP 加速 (需要 支持本地 XDP 驱动程序)
- (高级用户可选)调整 eBPF Map Size
- Linux Kernel 优化和升级
CONFIG_PREEMPT_NONE=y
- 其他:
- tuned network-* profiles, 如:
tuned-adm profile network-latency或network-throughput - CPU 调为性能模式
- 停止
irqbalance，将网卡中断引脚指向特定 CPU
- tuned network-* profiles, 如:
在网络/网卡设备/OS等条件满足的情况下, 我们尽可能多地启用这些调优选项, 相关优化项会在后续文章逐一更新. 敬请期待.
上篇文章我们启用了Cilium本地路由, 启用后对网络吞吐量提升明显.
今天我们来使用 Cilium 完全替换 KubeProxy, 创建一个没有 KubeProxy 的 Kubernetes 集群, 以此来大幅减少 iptables 规则链(还有 netfilter), 从而全方位提升网络性能.
测试环境
- Cilium 1.13.4
- K3s v1.26.6+k3s1
- OS
- 3台 Ubuntu 23.04 VM, Kernel 6.2, x86
背景
Kubernetes 集群中, 在 Kube Proxy 里大量用到了 iptables, 在 Kubernetes 集群规模较大的情况下, 数以千/万计的 iptables 规则会极大地拖慢 Kubernetes 网络性能, 导致网络请求响应缓慢.
大量 IPTables 规则链的示例如下:
So Many Iptables Rules
Kube Proxy 的用途
Kube Proxy 的负责以下几个方面的流量路由:
- ClusterIP: 集群内通过 ClusterIP 的访问
- NodePort: 集群内外通过 NodePort 的访问
- ExternalIP: 集群外通过 external IP 的访问
- LoadBalancer: 集群外通过 LoadBalancer 的访问.
而 Cilium 完全实现了这些功能, 并做到了性能上的大幅提升, 具体 Cilium 官方测试结果如下:
NodePort Latency Performance
启用了 DSR 后性能会更强:
NodePort Latency Performance with DSR
实施步骤
接下来我们开始实施替换, Cilium 的 eBPF kube-proxy 可在直接路由和隧道模式下进行替换。
重新安装 K3s
# Server Node
curl -sfL https://rancher-mirror.rancher.cn/k3s/k3s-install.sh | INSTALL_K3S_MIRROR=cn INSTALL_K3S_EXEC='--write-kubeconfig-mode=644 --flannel-backend=none --disable-network-policy --disable=servicelb --prefer-bundled-bin --disable-kube-proxy' INSTALL_K3S_VERSION=v1.26.6+k3s1 sh -
说明如下:
-
--disable=servicelbK3s servicelb 不是 Kubernetes 的标准组件, 为了减少干扰, 先去掉它. -
--disable-kube-proxy禁用 Kube Proxy
重新安装 Cilium
视情况不同, 可能需要卸载 Cilium:
helm uninstall cilium -n kube-system
重新安装, 重新安装时直接加上 kubeProxyReplacement 参数:
helm install cilium cilium/cilium --version 1.13.4 \
--namespace kube-system \
--set operator.replicas=1 \
--set k8sServiceHost=192.168.2.43 \
--set k8sServicePort=6443 \
--set hubble.relay.enabled=true \
--set hubble.ui.enabled=true \
--set tunnel=disabled \
--set autoDirectNodeRoutes=true \
--set ipv4NativeRoutingCIDR=10.0.0.0/22 \
--set kubeProxyReplacement=strict
说明如下:
-
kubeProxyReplacement=strictKube Proxy 替换使用严格模式. 而在默认情况下, Helm 会设置kubeProxyReplacement=disabled，这只会启用 ClusterIP 服务的群集内负载平衡。
基本信息验证
执行完成后进行验证:
$ kubectl -n kube-system exec ds/cilium -- cilium status | grep KubeProxyReplacement
KubeProxyReplacement: Strict [eth0 192.168.2.3 (Direct Routing)]
使用 --verbose 查看全部细节:
$ kubectl -n kube-system exec ds/cilium -- cilium status --verbose
...
KubeProxyReplacement Details:
Status: Strict
Socket LB: Enabled
Socket LB Tracing: Enabled
Socket LB Coverage: Full
Devices: eth0 192.168.2.3 (Direct Routing)
Mode: SNAT
Backend Selection: Random
Session Affinity: Enabled
Graceful Termination: Enabled
NAT46/64 Support: Disabled
XDP Acceleration: Disabled
Services:
- ClusterIP: Enabled
- NodePort: Enabled (Range: 30000-32767)
- LoadBalancer: Enabled
- externalIPs: Enabled
- HostPort: Enabled
实战验证
接下来, 我们可以创建一个 Nginx 部署。然后，创建一个新的 NodePort 服务，并验证 Cilium 是否正确安装了该服务。
创建 Nginx Deploy：
cat << EOF | kubectl apply -f -
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: my-nginx
spec:
selector:
matchLabels:
run: my-nginx
replicas: 2
template:
metadata:
labels:
run: my-nginx
spec:
containers:
- name: my-nginx
image: nginx
ports:
- containerPort: 80
EOF
下一步，为这两个实例创建一个 NodePort 服务：
$ kubectl expose deployment my-nginx --type=NodePort --port=80
service/my-nginx exposed
查看 NodePort 服务端口等信息:
$ kubectl get svc my-nginx
NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE
my-nginx NodePort 10.43.204.231 <none> 80:32727/TCP 96s
借助 cilium service list 命令，我们可以验证 Cilium 的 eBPF kube-proxy 替代程序是否创建了新的 NodePort 服务。在本例中，创建了端口号为 32727 的服务（位于网卡设备 eth0）：
$ kubectl -n kube-system exec ds/cilium -- cilium service list
ID Frontend Service Type Backend
...
32 192.168.2.3:32727 NodePort 1 => 10.0.0.70:80 (active)
2 => 10.0.2.96:80 (active)
33 0.0.0.0:32727 NodePort 1 => 10.0.0.70:0 (active)
2 => 10.0.2.96:80 (active)
同时，我们还可以使用主机名空间中的 iptables 验证是否存在针对该服务的 iptables 规则：
casey@cilium-62-1:~$ sudo iptables-save | grep KUBE-SVC
[sudo] casey 的密码：
casey@cilium-62-1:~$
上方结果为空, 证明已经没有了 KUBE-SVC 相关的 IPTables 规则.
我们可以使用 curl 对 NodePort ClusterIP PodIP 等进行测试:
node_port=$(kubectl get svc my-nginx -o=jsonpath='{@.spec.ports[0].nodePort}')
# localhost+NodePort
curl 127.0.0.1:$node_port
# eth0+NodePort
curl 192.168.2.3:$node_port
# ClusterIP
curl 10.43.204.231:80
# 本机PodIP
curl 10.0.0.70:80
# 其他Node PodIP
curl 10.0.2.96:80
📝Note
最后 2 条能访问到也是因为之前启用了本地路由(Native Routing)的原因
都可以成功访问:
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Welcome to nginx!</title>
...
🎉🎉🎉
总结
Kube Proxy 对 iptables 的大量使用给大规模 Kubernetes 集群的网络性能带来了负面影响, 通过利用 Cilium 完全替换 Kube Proxy, 可以大幅提升 Kubernetes 处理 ClusterIP/NodePort/LoadBalancer/externalIPs 等的网络性能表现.
至此, 性能调优已完成:
- ✔️ 启用本地路由(Native Routing)
- ✔️ 完全替换 KubeProxy
- IP 地址伪装(Masquerading)切换为基于 eBPF 的模式
- Kubernetes NodePort 实现在 DSR(Direct Server Return) 模式下运行
- 绕过 iptables 连接跟踪(Bypass iptables Connection Tracking)
- 主机路由(Host Routing)切换为给予 BPF 的模式 (需要 Linux Kernel >= 5.10)
- 启用 IPv6 BIG TCP (需要 Linux Kernel >= 5.19)
- 修改 MTU 为巨型帧(jumbo frames) (需要网络条件允许)
- 启用带宽管理器(Bandwidth Manager) (需要 Kernel >= 5.1)
- 启用 Pod 的 BBR 拥塞控制 (需要 Kernel >= 5.18)
- 启用 XDP 加速 (需要 支持本地 XDP 驱动程序)
📚️参考文档
- Kubernetes Without kube-proxy — Cilium 1.13.4 documentation
- Liberating k8s from kube-proxy and iptables - Google 幻灯片
三人行, 必有我师; 知识共享, 天下为公. 本文由东风微鸣技术博客 EWhisper.cn 编写.
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