关于后端:Cilium-如何处理-L7-流量

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还记得在 应用 Cilium 加强 Kubernetes 网络安全 示例中，咱们通过设置网络策略限度钛战机 tiefighter 拜访死星 deathstar 的 /v1/exhaust-port 端点，但放行着陆申请 /v1/request-landing。在提起 Cilium 时，都说其是应用 eBPF 技术推动的用于提供、爱护和察看容器工作负载之间的网络连接的开源软件。eBPF 能够解决 L3/4 的数据包，然而对简单的 L7 的协定解决的老本比拟高，并且无奈应答 L7 协定策略的灵活性。Cilium 引入 Envoy Proxy（Cilium 定制的发行版）作为 L7 代理，来解决该场景。

那 Cilium 是如何解决 L7 流量的呢？明天就让咱们一探到底。

注，这篇的内容是基于目前最新的 Cilium 1.13.3 和 proxy 1.23.9，不同版本间会有差别。

在开始之前先搭建先前的“星球大战”环境，或者你也能够间接跳到 Debug 阶段。

环境搭建

集群

export INSTALL_K3S_VERSION=v1.27.1+k3s1
curl -sfL https://get.k3s.io | sh -s - --disable traefik --disable local-storage --disable metrics-server --disable servicelb --flannel-backend=none --write-kubeconfig-mode 644 --write-kubeconfig ~/.kube/config

装置 Cilium

CILIUM_CLI_VERSION=$(curl -s https://raw.githubusercontent.com/cilium/cilium-cli/master/stable.txt)
CLI_ARCH=amd64
if ["$(uname -m)" = "aarch64" ]; then CLI_ARCH=arm64; fi
curl -L --fail --remote-name-all https://github.com/cilium/cilium-cli/releases/download/${CILIUM_CLI_VERSION}/cilium-linux-${CLI_ARCH}.tar.gz{,.sha256sum}
sha256sum --check cilium-linux-${CLI_ARCH}.tar.gz.sha256sum
sudo tar xzvfC cilium-linux-${CLI_ARCH}.tar.gz /usr/local/bin
rm cilium-linux-${CLI_ARCH}.tar.gz{,.sha256sum}
cilium install

装置示例利用

kubectl apply -n default -f - <<EOF
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: deathstar
  labels:
    app.kubernetes.io/name: deathstar
spec:
  type: ClusterIP
  ports:
  - port: 80
  selector:
    org: empire
    class: deathstar
---
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: deathstar
  labels:
    app.kubernetes.io/name: deathstar
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      org: empire
      class: deathstar
  template:
    metadata:
      labels:
        org: empire
        class: deathstar
        app.kubernetes.io/name: deathstar
    spec:
      containers:
      - name: deathstar
        image: docker.io/cilium/starwars
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: tiefighter
  labels:
    org: empire
    class: tiefighter
    app.kubernetes.io/name: tiefighter
spec:
  containers:
  - name: spaceship
    image: docker.io/tgraf/netperf
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: xwing
  labels:
    app.kubernetes.io/name: xwing
    org: alliance
    class: xwing
spec:
  containers:
  - name: spaceship
    image: docker.io/tgraf/netperf
EOF

设置策略

kubectl apply -n default -f - <<EOF
apiVersion: "cilium.io/v2"
kind: CiliumNetworkPolicy
metadata:
  name: "rule1"
spec:
  description: "L7 policy to restrict access to specific HTTP call"
  endpointSelector:
    matchLabels:
      org: empire
      class: deathstar
  ingress:
  - fromEndpoints:
    - matchLabels:
        org: empire
    toPorts:
    - ports:
      - port: "80"
        protocol: TCP
      rules:
        http:
        - method: "POST"
          path: "/v1/request-landing"
EOF

测试

kubectl exec tiefighter -- curl -s -XPUT deathstar.default.svc.cluster.local/v1/exhaust-port
#Access denied
kubectl exec tiefighter -- curl -s -XPOST deathstar.default.svc.cluster.local/v1/request-landing
#Ship landed

查看 pod 信息。

kubectl get po -o wide -n default
NAME                         READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP           NODE          NOMINATED NODE   READINESS GATES
deathstar-7848d6c4d5-58jc8   1/1     Running   0          6h57m   10.0.0.111   ubuntu-dev3   <none>           <none>
xwing                        1/1     Running   0          6h57m   10.0.0.209   ubuntu-dev3   <none>           <none>
tiefighter                   1/1     Running   0          6h57m   10.0.0.123   ubuntu-dev3   <none>           <none>

前面 debug 的操作咱们会间接在 cilium 的 agent pod 进行。

agent=$(kubectl get po -l app.kubernetes.io/name=cilium-agent -n kube-system -o jsonpath='{.items[0].metadata.name}')

Debug

先贴上总结的图。

怎么下手呢？

在 深刻摸索 Cilium 的工作机制 时，咱们对 Cilium 的网络策略解决机制一笔带过：

Cilium Agent 中运行着大量的 watcher，其中一个就是 CiliumNetworkPolicy watcher。当策略创立或者更新时，Agent 会对策略进行转换并将规定存储到 BPF Map 中。在网络通信时，BPF 程序会对网络流量进行查看并决定该当容许或者回绝拜访。

实际上这里的解决比较复杂，咱们从 watcher 的初始化动手。

  • #enableK8sWatchers 开启一些列的 watcher

  • #ciliumNetworkPoliciesInit 开启 CiliumNetworkPolicy watcher

    • #addCiliumNetworkPolicyV2 增加 CiliumNetworkPolicy 的解决

      • #PolicyAdd 将规定写入 Daemon 的策略仓库中，理论发 PolicyAddEvent 到 repository-change-queue 队列中。

      • #policyAdd 对规定进行预处理，并收集与规定相干的 endpoint（须要从新生成 endpoint 的数据，如加载 BPF 程序、更新 map 等），推送 PolicyReactionEvent 事件

        • PolicyReactionEvent.Handle 事件处理的过程，顺次解决所有策略相干的 endpoint，最初有收回 EndpointRegenerationEvent 事件

          • EndpointRegenerationEvent#Handle 事件的处理过程

            • Endpoint.regenerate

              • Endpoint.regenerateBPF 从新加载 datapath BPF 程序，刷新 Map。

至此咱们 apply 的网络策略被写入到 map 中。

接下来看下 ebpf 程序有任何应用该策略。

eBPF

还记得在 Kubernetes 网络学习之 Cilium 与 eBPF 中咱们剖析容器收回的数据包，被 LXC BPF Ingress 程序处理。这里不再赘述，解决流程能够看那篇文章。

咱们先查看 死星 的 endpoint id 和 identity 别离为 863 和 2033。

kubectl get ciliumendpoint -n default
NAME                         ENDPOINT ID   IDENTITY ID   INGRESS ENFORCEMENT   EGRESS ENFORCEMENT   VISIBILITY POLICY   ENDPOINT STATE   IPV4         IPV6
tiefighter                   2216          29439         <status disabled>     <status disabled>    <status disabled>   ready            10.0.0.123
deathstar-7848d6c4d5-58jc8   863           2033          <status disabled>     <status disabled>    <status disabled>   ready            10.0.0.111
xwing                        775           5513          <status disabled>     <status disabled>    <status disabled>   ready            10.0.0.209

应用 endpoint id 通过通过命令查看为死星配置的网络策略，能够看到其中的两条 ingress 的策略，其代理端口 19313，这个端口就是 Cilium 中 L7 代理的监听端口。

kubectl exec $agent -n kube-system -c cilium-agent -- cilium bpf policy get 863
POLICY   DIRECTION   LABELS (source:key[=value])                                              PORT/PROTO   PROXY PORT   BYTES   PACKETS
Allow    Ingress     reserved:host                                                            ANY          NONE         0       0
                     reserved:kube-apiserver
Allow    Ingress     k8s:app.kubernetes.io/name=deathstar                                     80/TCP       19313        0       0
                     k8s:class=deathstar
                     k8s:io.cilium.k8s.namespace.labels.kubernetes.io/metadata.name=default
                     k8s:io.cilium.k8s.policy.cluster=default
                     k8s:io.cilium.k8s.policy.serviceaccount=default
                     k8s:io.kubernetes.pod.namespace=default
                     k8s:org=empire
Allow    Ingress     k8s:app.kubernetes.io/name=tiefighter                                    80/TCP       19313        0       0
                     k8s:class=tiefighter
                     k8s:io.cilium.k8s.namespace.labels.kubernetes.io/metadata.name=default
                     k8s:io.cilium.k8s.policy.cluster=default
                     k8s:io.cilium.k8s.policy.serviceaccount=default
                     k8s:io.kubernetes.pod.namespace=default
                     k8s:org=empire
Allow    Egress      reserved:unknown                                                         ANY          NONE         0       0

BPF 程序处理流量在查看策略时 bpf_lxc.c#L1842，查看配置的策略带有代理端口执行 POLICY_ACT_PROXY_REDIRECT 将流量重定向给代理（端口 19313，地址为主机地址）。

Cilium Proxy

Cilium agent 提供了 xds server 实现，通过 Unix Domain Socket /var/run/cilium/xds.sock 与 proxy 进行通信，下发配置。

咱们参考 cilium-bugtool 的 dump 源码，dump 代理的配置。

kubectl exec $agent -n kube-system -c cilium-agent -- curl -s --unix-socket /var/run/cilium/envoy-admin.sock http://admin/config_dump?include_eds

从配置 config.json 中能够看到 Cilium 在 envoy proxy 中实现了如下三个不同类型的过滤器（Filter）：

  • listener filter
  • filter
  • http filter

监听器过滤器

监听器过滤器（Listener Filter）cilium.BpfMetadata 会从几个数据源中筹备元数据：策略、监听器设置、申请方的标识等。数据源包含 xds 配置、BPF map cilium_ipcache、cilium_ct4_global（ct：connection tracking。当然还包含 ct6 相干的 map）。

从数据源中获取的数据保留在 socket option 中（proxy 源码 bpf_metadata.cc#L364），作为上下文元数据的在其余的过滤器中应用。

元数据数据源

xds filter 配置，这里提供了 bpf map 的根目录 /sys/fs/bpf，以及 is_ingress: true 示意以后 filter 是在入口监听器上（ingress listener）：

{
 "name": "cilium.bpf_metadata",
 "typed_config": {
  "@type": "type.googleapis.com/cilium.BpfMetadata",
  "bpf_root": "/sys/fs/bpf",
  "is_ingress": true
 }

xds network policy 配置（截取了 proxy 的局部配置），从配置中能够找到 endpoint 的 IP 和 id，以及后面咱们设置的 规定：

{
 "@type": "type.googleapis.com/cilium.NetworkPoliciesConfigDump",
 "networkpolicies": [
  {
   "endpoint_ips": ["10.0.0.111"],
   "endpoint_id": "863",
   "ingress_per_port_policies": [
    {
     "port": 80,
     "rules": [
      {
       "http_rules": {
        "http_rules": [
         {
          "headers": [
           {
            "name": ":method",
            "safe_regex_match": {"google_re2": {},
             "regex": "POST"
            }
           },
           {
            "name": ":path",
            "safe_regex_match": {"google_re2": {},
             "regex": "/v1/request-landing"
            }
           }
          ]
         }
        ]
       }
      }
     ]
    }
   ],
   "egress_per_port_policies": [{}
   ],
   "conntrack_map_name": "global"
  },
  ...
}

Map cilium_ipcache，能够通过连贯信息中的 IP 地址获取身份标识，如死星的 identity 为 2033（见 proxy 源码 bpf_metadata.cc#L165）：

kubectl exec $agent -n kube-system -c cilium-agent -- cilium bpf ipcache list
IP PREFIX/ADDRESS   IDENTITY
10.0.0.67/32        identity=1 encryptkey=0 tunnelendpoint=0.0.0.0 nodeid=0
10.0.0.111/32       identity=2033 encryptkey=0 tunnelendpoint=0.0.0.0 nodeid=0
10.0.0.123/32       identity=29439 encryptkey=0 tunnelendpoint=0.0.0.0 nodeid=0
10.0.0.243/32       identity=4 encryptkey=0 tunnelendpoint=0.0.0.0 nodeid=0
10.0.0.160/32       identity=19608 encryptkey=0 tunnelendpoint=0.0.0.0 nodeid=0
10.0.0.209/32       identity=5513 encryptkey=0 tunnelendpoint=0.0.0.0 nodeid=0
192.168.1.13/32     identity=1 encryptkey=0 tunnelendpoint=0.0.0.0 nodeid=0
0.0.0.0/0           identity=2 encryptkey=0 tunnelendpoint=0.0.0.0 nodeid=0

Map cilium_ct4_global，从连贯跟踪（connection tracking）中获取申请方的 identity（SourceSecurityID 29439，钛战机 的标识）：

cilium bpf ct list global
TCP OUT 10.0.0.123:48954 -> 10.0.0.111:80 expires=58774 RxPackets=4 RxBytes=435 RxFlagsSeen=0x1b LastRxReport=58764 TxPackets=6 TxBytes=522 TxFlagsSeen=0x1b LastTxReport=58764 Flags=0x0013 [RxClosing TxClosing SeenNonSyn] RevNAT=4 SourceSecurityID=29439 IfIndex=0
TCP IN 10.0.0.67:33988 -> 10.0.0.111:80 expires=58776 RxPackets=6 RxBytes=659 RxFlagsSeen=0x1b LastRxReport=58766 TxPackets=4 TxBytes=386 TxFlagsSeen=0x1b LastTxReport=58766 Flags=0x0013 [RxClosing TxClosing SeenNonSyn] RevNAT=0 SourceSecurityID=29439 IfIndex=0
TCP IN 10.0.0.123:48954 -> 10.0.0.111:80 expires=80364 RxPackets=6 RxBytes=522 RxFlagsSeen=0x1b LastRxReport=58764 TxPackets=0 TxBytes=0 TxFlagsSeen=0x00 LastTxReport=0 Flags=0x0051 [RxClosing SeenNonSyn ProxyRedirect] RevNAT=0 SourceSecurityID=29439 IfIndex=0

过滤器

过滤器（Filter）cilium.NetworkFilter 工作在 L4，用于解决已建设的链接，利用端口级的策略，即 L4 策略。

从上下文元数据中保留的 endpoint 相干的策略中查找与指标端口相干的策略，查看申请方证书中的 sni 和申请方的身份标识 identity 是否在白名单中，见 proxy 源码 network_filter.cc#L169。

如果策略上设置了 L7 的协定，会应用 Golang 编写的解析器对 L7 的数据进行解析。

在本示例中并未应用 L4 的策略。

HTTP 过滤器

HTTP 过滤器（HTTP Filter）cilium.L7Policy 是本文的重点，但绝对其余两个过滤器来说逻辑就简略多了。

"http_filters": [
 {
  "name": "cilium.l7policy",
  "typed_config": {
   "@type": "type.googleapis.com/cilium.L7Policy",
   "access_log_path": "/var/run/cilium/access_log.sock"
  }
 }

在过滤器对 HTTP 申请头进行解码时（见 proxy 源码 l7policy.cc#L97），仍然是从上下文元数据中获取策略等内容。拿到策略后，与申请方（对于这里 ingress 的场景查看申请方，如果是 egress 的场景，查看上游的标识）的标识、申请头的信息进行比对，决定放行还是拒绝请求。

总结

整篇看下来，Cilium 在解决 L7 流量上的实现还是比较复杂的，牵扯多个组件协同。eBPF 在 L3/L4 流量解决上有着优异的性能劣势，然而对 L7 流量解决依然无奈脱离 sidecar 代理（不管 sidecar 是 per pod 还是 per node）。而 L7 流量解决也恰好有着十分多的应用场景，不仅仅是 HTTP 协定。

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2023-06-12
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