eBPF技术应用云原生网络实践系列之基于socket的service

背景介绍
Kubernetes 中的网络功能，主要包括 POD 网络，service 网络和网络策略组成。其中 POD 网络和网络策略，都是规定了模型，没有提供默认实现。而 service 网络作为 Kubernetes 的特色部分，官方版本持续演进了多种实现：

在 Kubernetes 中先后出现的几种 Service 实现中，整体都是为了提供更高的性能和扩展性。

Service 网络，本质上是一个分布式的服务器负载均衡，通过 daemonset 方式部署的 kube-proxy，监听 endpoint 和 service 资源，并在 node 本地生成转发表项。目前在生产环境中主要是 iptables 和 IPVS 方式，原理如下：

在本文中，介绍使用 socket eBPF 在 socket 层面完成负载均衡的逻辑，消除了逐报文 NAT 转换处理，进一步提升 Service 网络的转发性能。

基于 socket eBPF 的数据面实现

 socket eBPF 数据面简介

无论 kube-proxy 采用 IPVS 还是 tc eBPF 服务网络加速模式，每个从 pod  发出网络请求都必然经过 IPVS 或者 tc eBPF，即 POD <--> Service <--> POD，随着流量的增加必然会有性能开销, 那么是否可以直接在连接中将 service的clusterIP 的地址直接换成对应的 pod ip。基于 Kube-proxy+IPVS 实现的 service 网络服务，是基于逐报处理 +session 的方式来实现。

利用 socket eBPF，可以在不用直接处理报文和 NAT 转换的前提下，实现了负载均衡逻辑。Service 网络在同步上优化成 POD <--> POD，从而使Service 网络性能基本等同于 POD 网络。软件结构如下：

在 Linux 内核中，利用 BPF_PROG_TYPE_CGROUP_SOCK 类型的 eBPF hook 可以针对 socket 系统调用挂接 hook，插入必要的 EBPF 程序。

• 通过 attach 到特定的 cgroup 的文件描述符，可以控制 hook 接口的作用范围。
• sock eBPF hook，我们可以在 socket 层面劫持特定的 socket 接口，来完成完成负载均衡逻辑。
• SVC-POD 的转发行为转换成 POD-POD 的转发行为。
  当前 Linux 内核中不断完善相关的 hook，支持更多的 bpf_attach_type，部分距离如下：
  BPF_CGROUP_INET_SOCK_CREATE
  BPF_CGROUP_INET4_BIND
  BPF_CGROUP_INET4_CONNECT
  BPF_CGROUP_UDP4_SENDMSG
  BPF_CGROUP_UDP4_RECVMSG
  BPF_CGROUP_GETSOCKOPT
  BPF_CGROUP_INET4_GETPEERNAME
  BPF_CGROUP_INET_SOCK_RELEASE
  TCP 工作流程
  TCP 由于是有基于连接的，所以实现非常简明，只需要 hook connect 系统调用即可，如下所示：
  connect 系统调用劫持逻辑：
  1. 从 connect 调用上下文中取 dip+dport，查找 svc 表。找不到则不处理返回。

2. 查找亲和性会话，如果找到，得到 backend_id，转 4。否则转 3。

3. 随机调度，分配一个 backend。

4. 根据 backend_id，查 be 表，得到 be 的 IP+ 端口。

5. 更新亲和性信息。

6. 修改 connect 调用上下文中的 dip+dport 为 be 的 ip+port。

7. 完成。

在 socket 层面就完成了端口转换，对于 TCP 的 clusterip 访问，基本上可以等同于 POD 之间东西向的通信，将 clusterip 的开销降到最低。

• 不需要逐包的 dnat 行为。
• 需要逐包的查找 svc 的行为。
  UDP 工作流程
  UDP  由于是无连接的，实现要复杂一些，如下图所示：
  nat_sk 表的定义参见：LB4_REVERSE_NAT_SK_MAP

劫持 connect 和 sendmsg 系统调用：
1. 从系统调用调用上下文中取 dip+dport，查找 svc 表。找不到则不处理返回。

2. 查找亲和性会话，如果找到，得到 backend_id，转 4，否则转 3。

3. 随机调度，分配一个 backend。

4. 根据 backend_id，查 be 表，得到 be 的 IP+端口。

5. 更新亲和性的相关表。

6. 更新 nat_sk 表，key 为 be 的 ip+port，value 为 svc的vip+vport。

7. 修改系统调用上下文中的 dip+dport 为 be 的 ip + port。

8. 完成。
劫持 recvmsg 系统调用
1. 从系统调用上下文中远端 IP+port，查找 NAT_SK 表，找不到则不处理返回。

2. 找到，取出其中的 IP+port，用来查找 svc 表，找不到，则删除 nat_sk 对应表项，返回。

3. 使用 nat_sk 中找到的 ip+port，设置系统调用上下文中远端的 IP+port。

4. 完成。
关于地址修正问题

基于 socket eBPF 实现的 clusterIP，在上述基本转发原理之外，还有一些特殊的细节需要考虑,其中一个需要特殊考虑就是 peer address 的问题。和 IPVS之类的实现不同，在 socket eBPF 的 clusterIP 上，client 是和直接和 backend 通信的，中间的 service 被旁路了。回顾一下转发路径如下：此时，如果 client 上的 APP 调用 getpeername 之类的接口查询 peer address，这个时候获取到的地址和 connect 发起的地址是不一致的，如果 app对于 peeraddr 有判断或者特殊用途，可能会有意外情况。

针对这种情况，我们同样可以通过 eBPF 在 socket 层面来修正：
1、在guest kernel 上新增 bpf_attach_type，可以对 getpeername 和 getsockname 增加 hook 处理。

2、发起连接的时候，在相应的 socket hook 处理中，定义 map 记录响应的VIP:VPort 和 RSIP:RSPort 的对用关系。
3、当 APP 要调用 getpeername/getsockname 接口的时候，利用 eBPF 程序修正返回的数据：修改上下文中的远端的 IP+port为vip+vport。

总结
和TC-EBPF/IPVS性能对比
测试环境：4vcpu + 8G mem 的安全容器实例，单 client + 单 clusterip + 12 backend。
socket BPF：基于 socket ebpf 的 service 实现。
tc eBPF：基于 cls-bpf 的 service 实现，目前已经在 ack 服务中应用。
IPVS-raw：去掉所有安全组规则和 veth 之类开销，只有 IPVS 转发逻辑的 service 实现。
socket BPF 在所有性能指标上，均有不同程度提升。
大量并发的短连接，基本上吞吐提升 15%，时延降低 20%。
转发性能比较（QPS）
90%转发延时比较（ms）继续演进

eBPF does to Linux what JavaScript does to HTML.
--  Brendan Gregg
基于 socket eBPF 实现的 service，大大简化了负载均衡的逻辑实现，充分体现了 eBPF 灵活、小巧的特点。eBPF 的这些特点也很契合云原生场景，目前，该技术已在阿里云展开实践，加速了 kubernetes 服务网络。我们会继续探索和完善更多的 eBPF 的应用案例，比如 IPv6、network policy 等。