Cilium 作为近两年最火的云原生网络方案，可谓是风头无两。作为第一个通过 ebpf 实现了 kube-proxy 所有功能的网络插件，它的神秘面纱究竟是怎样的呢？本文主要介绍 Cilium 的发展演进，功能介绍以及具体使用示例。
背景
随着云原生的普及率越来越高，各大厂商基本上或多或少都实现了业务的 K8s 容器化，头部云计算厂商更是不用说。
而且随着 K8s 的 普及，当前集群逐渐呈现出以下两个特点：
容器数量越来越多，比如：K8s 官方单集群就已经支持 150k pod
Pod 生命周期越来越短，Serverless 场景下甚至短至几分钟，几秒钟
随着容器密度的增大，以及生命周期的变短，对原生容器网络带来的挑战也越来越大。
当前 K 8s Service 负载均衡 的实现现状
在 Cilium 出现之前， Service 由 kube-proxy 来实现，实现方式有 userspace，iptables，ipvs 三种模式。
Userspace
当前模式下，kube-proxy 作为反向代理，监听随机端口，通过 iptables 规则将流量重定向到代理端口，再由 kube-proxy 将流量转发到 后端 pod。Service 的请求会先从用户空间进入内核 iptables，然后再回到用户空间，代价较大，性能较差。
Iptables
存在的问题：
可扩展性差。随着 service 数据达到数千个，其控制面和数据面的性能都会急剧下降。原因在于 iptables 控制面的接口设计中，每添加一条规则，需要遍历和修改所有的规则，其控制面性能是O(n²)。在数据面，规则是用链表组织的，其性能是O(n)。
LB 调度算法仅支持随机转发。
Ipvs 模式
IPVS 是专门为 LB 设计的。它用 hash table 管理 service，对 service 的增删查找都是 O(1)的时间复杂度。不过 IPVS 内核模块没有 SNAT 功能，因此借用了 iptables 的 SNAT 功能。
IPVS 针对报文做 DNAT 后，将连接信息保存在 nf_conntrack 中，iptables 据此接力做 SNAT。该模式是目前 Kubernetes 网络性能最好的选择。但是由于 nf_conntrack 的复杂性，带来了很大的性能损耗。
Cilium 的发展
Cilium 是基于 eBpf 的一种开源网络实现，通过在 Linux 内核动态插入强大的安全性、可见性和网络控制逻辑，提供网络互通，服务负载均衡，安全和可观测性等解决方案。简单来说可以理解为 Kube-proxy + CNI 网络实现。
Cilium 位于容器编排系统和 Linux Kernel 之间，向上可以通过编排平台为容器进行网络以及相应的安全配置，向下可以通过在 Linux 内核挂载 eBPF 程序，来控制容器网络的转发行为以及安全策略执行。
简单了解下 Cilium 的发展历程：
2016 Thomas Graf 创立了 Cilium, 现为 Isovalent (Cilium 背后的商业公司)的 CTO
2017 年 DockerCon 上 Cilium 第一次发布
2018 年 发布 Cilium 1.0
2019 年 发布 Cilium 1.6 版本，100% 替代 kube-proxy
2019 年 Google 全面参与 Cilium
2021 年 微软、谷歌、FaceBook、Netflix、Isovalent 在内的多家企业宣布成立 eBPF 基金会(Linux 基金会下)
功能介绍
查看官网，可以看到 Cilium 的功能主要包含 三个方面，如上图：
网络
高度可扩展的 kubernetes CNI 插件，支持大规模，高动态的 k8s 集群环境。支持多种租网模式:
Overlay 模式，支持 Vxlan 及 Geneve
Unerlay 模式，通过 Direct Routing （直接路由）的方式，通过 Linux 宿主机的路由表进行转发
kube-proxy 替代品，实现了 四层负载均衡功能。LB 基于 eBPF 实现，使用高效的、可无限扩容的哈希表来存储信息。对于南北向负载均衡，Cilium 做了最大化性能的优化。支持 XDP、DSR（Direct Server Return，LB 仅仅修改转发封包的目标 MAC 地址）
多集群的连通性，Cilium Cluster Mesh 支持多集群间的负载，可观测性以及安全管控
提供生产可用的可观测性工具 hubble, 通过 pod 及 dns 标识来识别连接信息
提供 L3/L4/L7 级别的监控指标，以及 Networkpolicy 的 行为信息指标
API 层面的可观测性 (http,https)
Hubble 除了自身的监控工具，还可以对接像 Prometheus、Grafana 等主流的云原生监控体系，实现可扩展的监控策略
总结，Cilium 不仅包括了 kube-proxy + CNI 网络实现，还包含了众多可观测性和安全方面的特性。
安装部署
linux 内核要求 4.19 及以上
可以采用 helm 或者 cilium cli，此处笔者使用的是 cilium cli（版本为 1.10.3）
wget https://github.com/cilium/cilium-cli/releases/latest/download/cilium-linux-amd64.tar.gztar xzvfC cilium-linux-amd64.tar.gz /usr/local/bin
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wget https://github.com/cilium/cilium-cli/releases/latest/download/cilium-linux-amd64.tar.gztar xzvfC cilium-linux-amd64.tar.gz /usr/local/bin
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cilium install --kube-proxy-replacement=strict # 此处选择的是完全替换，默认情况下是 probe，(该选项下 pod hostport 特性不支持)
cilium hubble enable --ui
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~# cilium status /¯¯\ /¯¯__/¯¯\ Cilium: OK __/¯¯__/ Operator: OK /¯¯__/¯¯\ Hubble: OK __/¯¯__/ ClusterMesh: disabled __/
DaemonSet cilium Desired: 1, Ready: 1/1, Available: 1/1Deployment cilium-operator Desired: 1, Ready: 1/1, Available: 1/1Deployment hubble-relay Desired: 1, Ready: 1/1, Available: 1/1Containers: hubble-relay Running: 1 cilium Running: 1 cilium-operator Running: 1Image versions cilium quay.io/cilium/cilium:v1.10.3: 1 cilium-operator quay.io/cilium/operator-generic:v1.10.3: 1 hubble-relay quay.io/cilium/hubble-relay:v1.10.3: 1
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~# cilium status /¯¯\ /¯¯__/¯¯\ Cilium: OK __/¯¯__/ Operator: OK /¯¯__/¯¯\ Hubble: OK __/¯¯__/ ClusterMesh: disabled __/
DaemonSet cilium Desired: 1, Ready: 1/1, Available: 1/1Deployment cilium-operator Desired: 1, Ready: 1/1, Available: 1/1Deployment hubble-relay Desired: 1, Ready: 1/1, Available: 1/1Containers: hubble-relay Running: 1 cilium Running: 1 cilium-operator Running: 1Image versions cilium quay.io/cilium/cilium:v1.10.3: 1 cilium-operator quay.io/cilium/operator-generic:v1.10.3: 1 hubble-relay quay.io/cilium/hubble-relay:v1.10.3: 1
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等 hubble 安装完成后，hubble-ui service 修改为 NodePort 类型, 即可通过 NodeIP+NodePort 来登录 Hubble 界面 查看相关信息。
Cilium 部署完后，有以下几个组件 operator、hubble(ui, relay),Cilium agent（Daemonset 形式，每个节点一个），其中关键组件为 cilium agent。
Cilium Agent 作为整个架构中最核心的组件，通过 DaemonSet 的方式，以特权容器的模式，运行在集群的每个主机上。Cilium Agent 作为用户空间守护程序，通过插件与容器运行时和容器编排系统进行交互，进而为本机上的容器进行网络以及安全的相关配置。同时提供了开放的 API，供其他组件进行调用。
Cilium Agent 在进行网络和安全的相关配置时，采用 eBPF 程序进行实现。Cilium Agent 结合容器标识和相关的策略，生成 eBPF 程序，并将 eBPF 程序编译为字节码，将它们传递到 Linux 内核。
相关命令介绍
Cilium agent 中内置了一些调试用的命令，下面介绍，agent 中的 cilium 不同与上述介绍的 cilium cli ( 虽然同为 cilium)。
主要展示 cilium 的一些简单配置信息及状态，如下：
[root@~] # kubectl exec -n kube-system cilium-s62h5 -- cilium statusDefaulted container cilium-agent out of: cilium-agent, ebpf-mount (init), clean-cilium-state (init)KVStore: Ok DisabledKubernetes: Ok 1.21 (v1.21.2) [linux/amd64]Kubernetes APIs: [ cilium/v2::CiliumClusterwideNetworkPolicy , cilium/v2::CiliumEndpoint , cilium/v2::CiliumNetworkPolicy , cilium/v2::CiliumNode , core/v1::Namespace , core/v1::Node , core/v1::Pods , core/v1::Service , discovery/v1::EndpointSlice , networking.k8s.io/v1::NetworkPolicy ]KubeProxyReplacement: Strict [eth0 10.251.247.131 (Direct Routing)]Cilium: Ok 1.10.3 (v1.10.3-4145278)NodeMonitor: Listening for events on 8 CPUs with 64x4096 of shared memoryCilium health daemon: OkIPAM: IPv4: 68/254 allocated from 10.0.0.0/24,BandwidthManager: DisabledHost Routing: LegacyMasquerading: BPF [eth0] 10.0.0.0/24 [IPv4: Enabled, IPv6: Disabled]Controller Status: 346/346 healthyProxy Status: OK, ip 10.0.0.167, 0 redirects active on ports 10000-20000Hubble: Ok Current/Max Flows: 4095/4095 (100.00%), Flows/s: 257.25 Metrics: DisabledEncryption: DisabledCluster health: 1/1 reachable (2021-08-11T09:33:31Z)
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展示 service 的实现，使用时可通过 ClusterIP 来过滤，其中，FrontEnd 为 ClusterIP，Backend 为 PodIP。
[root@~]# kubectl exec -it -n kube-system cilium-vsk8j -- cilium service listDefaulted container "cilium-agent" out of: cilium-agent, ebpf-mount (init), clean-cilium-state (init)ID Frontend Service Type Backend1 10.111.192.31:80 ClusterIP 1 => 10.0.0.212:88882 10.101.111.124:8080 ClusterIP 1 => 10.0.0.81:80803 10.101.229.121:443 ClusterIP 1 => 10.0.0.24:84434 10.111.165.162:8080 ClusterIP 1 => 10.0.0.213:80805 10.96.43.229:4222 ClusterIP 1 => 10.0.0.210:42226 10.100.45.225:9180 ClusterIP 1 => 10.0.0.48:9180# 避免过多，此处不一一展示
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通过 cilium service get < ID> -o json 来展示详情：
[root@~]# kubectl exec -it -n kube-system cilium-vsk8j -- cilium service get 132 -o jsonDefaulted container "cilium-agent" out of: cilium-agent, ebpf-mount (init), clean-cilium-state (init){ "spec": { "backend-addresses": [ { "ip": "10.0.0.213", "nodeName": "n251-247-131", "port": 8080 } ], "flags": { "name": "autoscaler", "namespace": "knative-serving", "trafficPolicy": "Cluster", "type": "ClusterIP" }, "frontend-address": { "ip": "10.98.24.168", "port": 8080, "scope": "external" }, "id": 132 }, "status": { "realized": { "backend-addresses": [ { "ip": "10.0.0.213", "nodeName": "n251-247-131", "port": 8080 } ], "flags": { "name": "autoscaler", "namespace": "knative-serving", "trafficPolicy": "Cluster", "type": "ClusterIP" }, "frontend-address": { "ip": "10.98.24.168", "port": 8080, "scope": "external" }, "id": 132 } }}
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还有很多有用的命令，限于篇幅，此处不一一展示，感兴趣的同学可以尝试探索（cilium status --help）。
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