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深入理解 Cilium 的 eBPF 收发包路径

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    本文翻译自 2019 年 DigitalOcean 的工程师 Nate Sweet 在 KubeCon 的一篇分享：《Understanding (and Troubleshooting) the eBPF Datapath in Cilium》。

    为什么要关注 eBPF？


    网络成为瓶颈

    大家已经知道网络成为瓶颈，但我是从下面这个角度考虑的：近些年业界使用网络的方式 ，使其成为瓶颈（it is the bottleneck in a way that is actually pretty recent） 。

    • 网络一直都是 I/O 密集型的，但直到最近，这件事情才变得尤其重要。

    • 分布式任务（workloads）业界一直都在用，但直到近些年，这种模型才成为主流。虽然何时成为主流众说纷纭，但我认为最早不会早于 90 年代晚期。

    • 公有云的崛起，我认为可能是网络成为瓶颈的最主要原因。


    这种情况下，用于管理依赖和解决瓶颈的工具都已经过时了。

    但像 eBPF 这样的技术使得网络调优和整流（tune and shape this traffic）变得简单很多。eBPF 提供的许多能力是其他工具无法提供的，或者即使提供了，其代价也要比 eBPF 大 的多。

    eBPF 无处不在

    eBPF 正在变得无处不在，我们可能会争论这到底是一件好事还是坏事（eBPF 也确实带了一 些安全问题），但当前无法忽视的事实是：Linux 内核的网络开发者们正在将 eBPF 应用 于各种地方（putting it everywhere）。其结果是，eBPF 与内核的默认收发包路径（ datapath）耦合得越来越紧（more and more tightly coupled with the default datapath）。

    性能就是金钱

    “Metrics are money”， 这是今年 Paris Kernel Recipes 峰会上，来自 Synthesio 的 Aurelian Rougemont 的 精彩分享。

    他展示了一些史诗级的调试（debugging）案例，感兴趣的可以去看看；但更重要的是，他 从更高层次提出了这样一个观点：理解这些东西是如何工作的，最终会产生资本收益（ understanding how this stuff works translates to money）。为客户节省金钱，为 自己带来收入。

    如果你能从更少的资源中榨取出更高的性能，使软件运行更快，那 显然你对公司的贡献就更大。Cilium 就是这样一个能让你带来更大价值的工具。

    在进一步讨论之前，我先简要介绍一下 eBPF 是什么，以及为什么它如此强大。


    eBPF 是什么？


    BPF 程序有多种类型，下图是其中一种，称为 XDP BPF 程序。

    • XDP 是 eXpress DataPath（特快数据路径）。

    • XDP 程序可以直接加载到网络设备上。

    • XDP 程序在数据包收发路径上很前面的位置就开始执行，下面会看到例子。


    BPF 程序开发方式：

    • 编写一段 BPF 程序

    • 编译这段 BPF 程序

    • 用一个特殊的系统调用将编译后的代码加载到内核


    这实际上就是编写了一段内核代码，并动态插入到了内核（written kernel code and dynamically inserted it into the kernel）。

    eBPF 代码示例：丢弃源 IP 命中黑名单的 ARP 包

    图中的程序使用了一种称为 map 的东西，这是一种特殊的数据结构，可用于 在内核和用户态之间传递数据，例如通过一个特殊的系统从用户态向 map 里插入数据。

    这段程序的功能：丢弃所有源 IP 命中黑名单的 ARP 包。右侧四个框内的代码功能：

    • 初始化以太帧结构体（ethernet packet）。

    • 如果不是 ARP 包，直接退出，将包交给内核继续处理。

    • 至此已确定是 ARP，因此初始化一个 ARP 数据结构，对包进行下一步处理。例 如，提取出 ARP 中的源 IP，去之前创建好的黑名单中查询该 IP 是否存在。

    • 如果存在，返回丢弃判决（XDP_DROP）；否则，返回允许通行判决（ XDP_PASS），内核会进行后续处理。


    你可能不会相信，就这样一段简单的程序，会让服务器性能产生质的飞跃，因为它此时已 经拥有了一条极为高效的网络路径（an extremely efficient network path）。


    为什么 eBPF 如此强大？


    三方面原因：

    • 快速（fast）

    • 灵活（flexible）

    • 数据与功能分离（separates data from functionality）


    快速

    eBPF 几乎总是比 iptables 快，这是有技术原因的。

    • eBPF 程序本身并不比 iptables 快，但 eBPF 程序更短。

    • iptables 基于一个非常庞大的内核框架（Netfilter），这个框架出现在内核 datapath 的多个地方，有很大冗余。


    因此，同样是实现 ARP drop 这样的功能，基于 iptables 做冗余就会非常大，导致性能很低。

    灵活

    这可能是最主要的原因。你可以用 eBPF 做几乎任何事情。

    eBPF 基于内核提供的一组接口，运行 JIT 编译的字节码，并将计算结果返回给内核。例如 内核只关心 XDP 程序的返回是 PASS, DROP 还是 REDIRECT。至于在 XDP 程序里做什么， 完全看你自己。

    数据与功能分离

    eBPF separates data from functionality.

    nftables 和 iptables 也能干这个事情，但功能没有 eBPF 强大。例如，eBPF 可以使 用 per-cpu 的数据结构，因此能取得更极致的性能。

    eBPF 真正的优势是将“数据与功能分离”这件事情做地非常干净（clean separation）：可以在 eBPF 程序不中断的情况下修改它的运行方式。具体方式是修改它访 问的配置数据或应用数据，例如黑名单里规定的 IP 列表和域名。


    eBPF 简史


    这里是简单介绍几句，后面 datapath 才是重点。

    两篇论文，可读性还是比较好的，感兴趣的自行阅读：

    • Steven McCanne, et al, in 1993 – The BSD Packet Filter

    • Jeffrey C. Mogul, et al, in 1987 – first open source implementation of a packet filter.


    Cilium 是什么，为什么要关注它？


    我认为理解 eBPF 代码还比较简单，多看看内核代码就行了，但配置和编写 eBPF 就要难多了。

    Cilium 是一个很好的 eBPF 之上的通用抽象，覆盖了分布式系统的绝大多数场景。Cilium 封装了 eBPF，提供一个更上层的 API。如果你使用的是 Kubernetes，那你至少应该听说过 Cilium。

    Cilium 提供了 CNI 和 kube-proxy replacement 功能，相比 iptables 性能要好很多。

    接下来开始进入本文重点。


    内核默认 datapath


    本节将介绍数据包是如何穿过 network datapath（网络数据路径）的：包括从硬件到 内核，再到用户空间。

    这里将只介绍 Cilium 所使用的 eBPF 程序，其中有 Cilium logo 的地方，都是 datapath 上 Cilium 重度使用 BPF 程序的地方。

    本文不会过多介绍硬件相关内容，因为理解 eBPF 基本不需要硬件知识，但显然理解了硬件 原理也并无坏处。另外，由于时间限制，我将只讨论接收部分。

    L1 -> L2（物理层 -> 数据链路层）


    网卡收包简要流程：

    • 网卡驱动初始化。

      • 网卡获得一块物理内存，作用收发包的缓冲区（ring-buffer）。这种方式成为 DMA（直接内存访问）。

      • 驱动向内核 NAPI（New API）注册一个轮询（poll ）方法。


    • 网卡从云上收到一个包，将包放到 ring-buffer。

    • 如果此时 NAPI 没有在执行，网卡就会触发一个硬件中断（HW IRQ），告诉处理器 DMA 区域中有包等待处理。

    • 收到硬中断信号后，处理器开始执行 NAPI。

    • NAPI 执行网卡注册的 poll 方法开始收包。


    关于 NAPI poll 机制：

    • 这是 Linux 内核中的一种通用抽象，任何等待不可抢占状态发生（wait for a preemptible state to occur）的模块，都可以使用这种注册回调函数的方式。

    • 驱动注册的这个 poll 是一个主动式 poll（active poll），一旦执行就会持续处理，直到没有数据可供处理，然后进入 idle 状态。

    • 在这里，执行 poll 方法的是运行在某个或者所有 CPU 上的内核线程（kernel thread）。虽然这个线程没有数据可处理时会进入 idle 状态，但如前面讨论的，在当前大部分分布 式系统中，这个线程大部分时间内都是在运行的，不断从驱动的 DMA 区域内接收数据包。

    • poll 会告诉网卡不要再触发硬件中断，使用软件中断（softirq）就行了。此后这些 内核线程会轮询网卡的 DMA 区域来收包。之所以会有这种机制，是因为硬件中断代价太 高了，因为它们比系统上几乎所有东西的优先级都要高。


    我们接下来还将多次看到这个广义的 NAPI 抽象，因为它不仅仅处理驱动，还能处理许多 其他场景。内核用 NAPI 抽象来做驱动读取（driver reads）、epoll 等等。

    NAPI 驱动的 poll 机制将数据从 DMA 区域读取出来，对数据做一些准备工作，然后交给比 它更上一层的内核协议栈。

    L2 续（数据链路层 – 续）

    同样，这里不会深入展开驱动层做的事情，而主要关注内核所做的一些更上层的事情，例如：

    • 分配 socket buffers（skb）

    • BPF

    • iptables

    • 将包送到网络栈（network stack）和用户空间


    Step 1：NAPI poll


    首先，NAPI poll 机制不断调用驱动实现的 poll 方法，后者处理 RX 队列内的包，并最终 将包送到正确的程序。这就到了我们前面的 XDP 类型程序。

    Step 2：XDP 程序处理


    如果驱动支持 XDP，那 XDP 程序将在 poll 机制内执行。如果不支持，那 XDP 程序将只能在更后面执行（run significantly upstack，见 Step 6），性能会变差， 因此确定你使用的网卡是否支持 XDP 非常重要。

    XDP 程序返回一个判决结果给驱动，可以是 PASS，TRANSMIT 或 DROP。

    • Transmit 非常有用，有了这个功能，就可以用 XDP 实现一个 TCP/IP 负载均衡器。XDP 只适合对包进行较小修改，如果是大动作修改，那这样的 XDP 程序的性能 可能并不会很高，因为这些操作会降低 poll 函数处理 DMA ring-buffer 的能力。

    • 更有趣的是 DROP 方法，因为一旦判决为 DROP，这个包就可以直接原地丢弃了，而 无需再穿越后面复杂的协议栈然后再在某个地方被丢弃，从而节省了大量资源。如果本次 分享我只能给大家一个建议，那这个建议就是：在 datapath 越前面做 tuning 和 dropping 越好，这会显著增加系统的网络吞吐。

    • 如果返回是 PASS，内核会继续沿着默认路径处理包，到达 clean_rx() 方法。


    Step 3：clean_rx()：创建 skb


    如果返回是 PASS，内核会继续沿着默认路径处理包，到达 clean_rx() 方法。

    这个方法创建一个 socket buffer（skb）对象，可能还会更新一些统计信息，对 skb 进行硬件校验和检查，然后将其交给 gro_receive() 方法。

    Step 4：gro_receive()


    GRO 是一种较老的硬件特性（LRO）的软件实现，功能是对分片的包进行重组然后交给更上层，以提高吞吐。

    1. GRO 给协议栈提供了一次将包交给网络协议栈之前，对其检查校验和修改协议头和发送应答包（ACK packets）的机会。

    2. 如果 GRO 的 buffer 相比于包太小了，它可能会选择什么都不做。

    3. 如果当前包属于某个更大包的一个分片，调用 enqueue_backlog 将这个分片放到某个 CPU 的包队列。当包重组完成后，会交给 receive_skb() 方法处理。


    如果当前包不是分片包，直接调用 receive_skb()，进行一些网络栈最底层的处理。

    Step 5：receive_skb()


    receive_skb() 之后会再次进入 XDP 程序点。

    L2 -> L3（数据链路层 -> 网络层）

    Step 6：通用 XDP 处理（gXDP）


    receive_skb() 之后，我们又来到了另一个 XDP 程序执行点。这里可以通过 receive_xdp() 做一些通用（generic）的事情，因此我在图中将其标注为 (g)XDP。

    Step 2 中提到，如果网卡驱动不支持 XDP，那 XDP 程序将延迟到更后面执行，这个 “更后面”的位置指的就是这里的 (g)XDP。

    Step 7：Tap 设备处理


    图中有个 *check_taps 框，但其实并没有这个方法：receive_skb() 会轮询所有的 socket tap，将包放到正确的 tap 设备的缓冲区。

    tap 设备监听的是三层协议（L3 protocols），例如 IPv4、ARP、IPv6 等等。如果 tap 设 备存在，它就可以操作这个 skb 了。

    Step 8：tc（traffic classifier）处理

    接下来我们遇到了第二种 eBPF 程序：tc eBPF。


    tc（traffic classifier，流量分类器）是 Cilium 依赖的最基础的东西，它提供了多种功 能，例如修改包（mangle，给 skb 打标记）、重路由（reroute）、丢弃包（drop），这 些操作都会影响到内核的流量统计，因此也影响着包的排队规则（queueing discipline ）。

    Cilium 控制的网络设备，至少被加载了一个 tc eBPF 程序。

    Step 9：Netfilter 处理

    如果 tc BPF 返回 OK，包会再次进入 Netfilter。


    Netfilter 也会对入向的包进行处理，这里包括 nftables 和 iptables 模块。

    有一点需要记住的是：Netfilter 是网络栈的下半部分（the “bottom half” of the network stack），因此 iptables 规则越多，给网络栈下半部分造成的瓶颈就越大。

    *def_dev_protocol 框是二层过滤器（L2 net filter），由于 Cilium 没有用到任何 L2 filter，因此这里我就不展开了。

    Step 10：L3 协议层处理：ip_rcv()

    最后，如果包没有被前面丢弃，就会通过网络设备的 ip_rcv() 方法进入协议栈的三层（ L3）—— 即 IP 层 —— 进行处理。


    接下来我们将主要关注这个函数，但这里需要提醒大家的是，Linux 内核也支持除了 IP 之 外的其他三层协议，它们的 datapath 会与此有些不同。

    L3 -> L4（网络层 -> 传输层）

    Step 11：Netfilter L4 处理


    ip_rcv() 做的第一件事情是再次执行 Netfilter 过滤，因为我们现在是从四层（L4）的 视角来处理 socker buffer。因此，这里会执行 Netfilter 中的任何四层规则（L4 rules ）。

    Step 12：ip_rcv_finish() 处理

    Netfilter 执行完成后，调用回调函数 ip_rcv_finish()。


    ip_rcv_finish() 立即调用 ip_routing() 对包进行路由判断。

    Step 13：ip_routing() 处理

    ip_routing() 对包进行路由判断，例如看它是否是在 lookback 设备上，是否能 路由出去（could egress），或者能否被路由，能否被 unmangle 到其他设备等等。


    在 Cilium 中，如果没有使用隧道模式（tunneling），那就会用到这里的路由功能。相比 隧道模式，路由模式会的 datapath 路径更短，因此性能更高。

    Step 14：目的是本机：ip_local_deliver() 处理

    根据路由判断的结果，如果包的目的端是本机，会调用 ip_local_deliver() 方法。


    ip_local_deliver() 会调用 xfrm4_policy()。

    Step 15：xfrm4_policy() 处理

    xfrm4_policy() 完成对包的封装、解封装、加解密等工作。例如，IPSec 就是在这里完成的。


    最后，根据四层协议的不同，ip_local_deliver() 会将最终的包送到 TCP 或 UDP 协议 栈。这里必须是这两种协议之一，否则设备会给源 IP 地址回一个 ICMP destination unreachable 消息。

    接下来我将拿 UDP 协议作为例子，因为 TCP 状态机太复杂了，不适合这里用于理解 datapath 和数据流。但不是说 TCP 不重要，Linux TCP 状态机还是非常值得好好学习的。

    L4（传输层，以 UDP 为例）

    Step 16：udp_rcv() 处理


    udp_rcv() 对包的合法性进行验证，检查 UDP 校验和。然后，再次将包送到 xfrm4_policy() 进行处理。

    Step 17：xfrm4_policy() 再次处理


    这里再次对包执行 transform policies 是因为，某些规则能指定具体的四层协议，所以只 有到了协议层之后才能执行这些策略。

    Step 18：将包放入 socket_receive_queue

    这一步会拿端口（port）查找相应的 socket，然后将 skb 放到一个名为 socket_receive_queue 的链表。


    Step 19：通知 socket 收数据：sk_data_ready()

    最后，udp_rcv() 调用 sk_data_ready() 方法，标记这个 socket 有数据待收。


    本质上，一个 socket 就是 Linux 中的一个文件描述符，这个描述符有一组相关的文件操 作抽象，例如 read、write 等等。

    网络栈下半部分小结

    以上 Step 1~19 就是 Linux 网络栈下半部分（bottom half of the network stack）的全部内容。

    接下来我们还会介绍几个内核函数，但它们都是与进程上下文相关的。

    L4 – User Space

    下图左边是一段 socket listening 程序，这里省略了错误检查，而且 epoll 本质上也 是不需要的，因为 UDP 的 recv 方法以及在帮我们 poll 了。


    由于大家还是对 TCP 熟悉一些，因此在这里我假设这是一段 TCP 代码。事实上当我们调 用recvmsg() 方法时，内核所做的事情就和上面这段代码差不多。对照右边的图：

    • 首先初始化一个 epoll 实例和一个 UDP socket，然后告诉 epoll 实例我们想 监听这个 socket 上的 receive 事件，然后等着事件到来。

    • 当 socket buffer 收到数据时，其 wait queue 会被上一节的 sk_data_ready() 方法置位（标记）。

    • epoll 监听在 wait queue，因此 epoll 收到事件通知后，提取事件内容，返回给用户空间。

    • 用户空间程序调用 recv 方法，它接着调用 udp_recv_msg 方法，后者又会 调用 cgroup eBPF 程序 —— 这是本文出现的第三种 BPF 程序。Cilium 利用 cgroup eBPF 实现 socket level 负载均衡，这非常酷：

      • 一般的客户端负载均衡对客户端并不是透明的，即，客户端应用必须将负载均衡逻辑内置到应用里。

      • 有了 cgroup BPF，客户端根本感知不到负载均衡的存在。


    • 本文介绍的最后一种 BPF 程序是 sock_ops BPF，用于 socket level 整流（traffic shaping ），这对某些功能至关重要，例如客户端级别的限速（rate limiting）。

    • 最后，我们有一个用户空间缓冲区，存放收到的数据。


    以上就是 Cilium 基于 eBPF 的内核收包之旅（traversing the kernel’s datapath）。太壮观了！


    Kubernetes、Cilium 和 Kernel：原子对象对应关系



    以上就是 Kubernetes 的所有网络对象（the only artificial network objects）。什么意思？这就是 Kubernetes CNI 所依赖的全部网络原语（network primitives）。例如，LoadBalancer 对象只是 ClusterIP 和 NodePort 的组合，而后二者都属于 Service 对象，所以他们并不 是一等对象。

    这张图非常有价值，但不幸的是，实际情况要比这里列出的更加复杂，因为 Cilium 本身的 实现是很复杂的。这有两个主要原因，我觉得值得拿出来讨论和体会：

    首先，内核 datapath 要远比我这里讲的复杂。

    • 前面只是非常简单地介绍了协议栈每个位置（Netfilter、iptables、eBPF、XDP）能执行的动作。

    • 这些位置提供的处理能力是不同的。例如：

      • XDP 可能是能力最受限的，因为它只是设计用来做快速丢包（fast dropping）和 非本地重定向（non-local redirecting）；但另一方面，它又是最快的程序，因为 它在整个 datapath 的最前面，具备对整个 datapath 进行短路处理（short circuit the entire datapath）的能力。

      • tc 和 iptables 程序能方便地 mangle 数据包，而不会对原来的转发流程产生显著影响。


    理解这些东西非常重要，因为这是 Cilium 乃至广义 datapath 里非常核心的东西。如 果遇到底层网络问题，或者需要做 Cilium/kernel 调优，那你必须要理解包的收发/转发 路径，有时你会发现包的某些路径非常反直觉。

    第二个原因是，eBPF 还非常新，某些最新特性只有在 5.x 内核中才有。尤其是 XDP BPF， 可能一个节点的内核版本支持，调度到另一台节点时，可能就不支持。

    原文链接：https://kccncna19.sched.com/event/Uae7/understanding-and-troubleshooting-the-ebpf-datapath-in-cilium-nathan-sweet-digitalocean

    译文链接：http://arthurchiao.art/blog/understanding-ebpf-datapath-in-cilium-zh/


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