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数据库技术a｜技术干货 | cilium 原理之sock_connect

2023年08月11日

1.背景

在集群网络使用cilium之后，最明显的情况就是：服务暴露vip+port，在集群内怎么测试都正常，但集群外访问可能是有问题的。而这就在于cilium所使用的ebpf科技。

2.引子：curl请求的路程

相对底层一点的语言，比如c语言，在创建一个tcp连接时，主要分两步(其它语言可能会更简单)：

    int socket_desc;
    struct sockaddr_in server;
  
  //Create socket
  socket_desc = socket(AF_INET , SOCK_STREAM , 0);
 
  server.sin_addr.s_addr = inet_addr("1.1.1.1");
  server.sin_family = AF_INET;
  server.sin_port = htons( 80 );
 
  //Connect to remote server
  if (connect(socket_desc , (struct sockaddr *)&server , sizeof(server)) < 0)

一个连接的创建，主要分两个步骤：

创建socket对象
发起connect连接

而实际上，在内核层，它经历的步骤会非常多。可以通过perf工具来查看：

perf trace  -e 'net:*' -e 'sock:*' -e 'syscalls:*'  curl 1.1.1.1 -s >& /dev/stdout

上面的输出很多，而syscalls:sys_enter_socket前面的很长一段，是curl程序打开本身加载动态链接库需要的系统调用。

而本次需要关心的是以下这部分（截取的部分内容）：

   108.294 curl/15819 syscalls:sys_enter_socket(family: INET, type: STREAM)
   108.351 curl/15819 syscalls:sys_exit_socket(__syscall_nr: 41, ret: AX25)
   108.939 curl/15819 syscalls:sys_enter_connect(fd: 3, uservaddr: { .family: UNSPEC }, addrlen: 16)
   108.991 curl/15819 sock:inet_sock_set_state(skaddr: 0xffff902527424c80, oldstate: 7, newstate: 2, dport: 80, family: 2, protocol: 6, saddr: 0x7f176658943b, daddr: 0x7f176658943f, saddr_v6: 0x7f1766589443, daddr_v6: 0x7f1766589453)
   109.090 curl/15819 net:net_dev_queue(skbaddr: 0xffff9024f0a2d4e8, len: 74, name: "enp1s0")
   109.140 curl/15819 net:net_dev_start_xmit(name: "enp1s0", skbaddr: 0xffff9024f0a2d4e8, protocol: 2048, ip_summed: 3, len: 74, network_offset: 14, transport_offset_vali
d: 1, transport_offset: 34, gso_segs: 1, gso_type: 1)

从上面可以看出，在定义socket后，接着就是connect连接，而在sock:inet_sock_set_state这一步，有输出地址相关信息，但输出的是内存地址，无法直接查看。能通过bcc工具集中的tcplife来查看。

# 一个终端中运行：
tcplife -D 12345
# 另一个终端中运行：
curl 1.1.1.1:12345

虽然访问的是不存在的地址，但内核也会基于默认路由，走默认网关，将报文发送到enp1s0网卡上。而在sock:inet_sock_set_state可以抓取到源地址与目的地址信息。既然我们能在sock:inet_sock_set_state点挂载程序，抓取报文信息，那我们是否可以在挂载点，修改socket的目的地址与目的端口信息？

答案是肯定的。但cilium是在cgroup/connect4进行修改的(和上面从perf查出来的不同，但可以通过bcc的工具来验证。cgroup是高版本内核才有的特殊，具体可参考链接，里面有标识内核版本的特性。

那么，这是如何查到的呢？

[root@c7-1 ~]# bpftool prog |grep sock
1653: type 18  name sock6_connect  tag d526fd1cb49a372e  gpl
1657: cgroup_sock  name sock6_post_bind  tag e46a7916c9c72e67  gpl
1661: type 18  name sock6_sendmsg  tag 19094f9c26d4dddf  gpl
1665: type 18  name sock6_recvmsg  tag 282bf4c10eff7f73  gpl
1669: type 18  name sock4_connect  tag 57eae2cf019378cc  gpl
1673: cgroup_sock  name sock4_post_bind  tag ddd7183184f2e6e9  gpl
1677: type 18  name sock4_sendmsg  tag 570ef9d580ce0589  gpl
1681: type 18  name sock4_recvmsg  tag 0bdebe7409ceb49f  gpl
[root@c7-1 ~]# bpftool prog |grep connect
1653: type 18  name sock6_connect  tag d526fd1cb49a372e  gpl
1669: type 18  name sock4_connect  tag 57eae2cf019378cc  gpl

在有运行cilium的机器上，使用bpftool工具查询挂载的程序，发现与socket相关的就是这些。

再到cilium的源代码中，查看对应的代码段定义：

github.com/cilium/cilium/bpf$ grep -i "__section(" *.c
bpf_host.c:__section("from-netdev")
bpf_host.c:__section("from-host")
bpf_host.c:__section("to-netdev")
bpf_host.c:__section("to-host")
bpf_lxc.c:__section("from-container")
bpf_lxc.c:__section("mydebug1")
bpf_lxc.c:__section("mydebug2")
bpf_lxc.c:__section("to-container")
bpf_network.c:__section("from-network")
bpf_overlay.c:__section("from-overlay")
bpf_overlay.c:__section("to-overlay")
bpf_sock.c:__section("cgroup/connect4")
bpf_sock.c:__section("cgroup/post_bind4")
bpf_sock.c:__section("cgroup/bind4")
bpf_sock.c:__section("cgroup/sendmsg4")
bpf_sock.c:__section("cgroup/recvmsg4")
bpf_sock.c:__section("cgroup/getpeername4")
bpf_sock.c:__section("cgroup/post_bind6")
bpf_sock.c:__section("cgroup/bind6")
bpf_sock.c:__section("cgroup/connect6")
bpf_sock.c:__section("cgroup/sendmsg6")
bpf_sock.c:__section("cgroup/recvmsg6")
bpf_sock.c:__section("cgroup/getpeername6")
bpf_xdp.c:__section("from-netdev")

由此，cilium使用的科技就很明显了。

3. 手写ebpf

1. ebpf程序实现

在看cilium源码实现之前，先手写一个最简单的修改目的地址与端口的程序。因为cilium本身框架很复杂，代码也有相关，所以先以最简单的（写死的）程序入手。代码可以参考cilium源码。

#include <bpf/ctx/unspec.h>
#include <bpf/api.h>
 
#define SKIP_POLICY_MAP 1
#define SKIP_CALLS_MAP  1
 
#define SYS_REJECT      0
#define SYS_PROCEED     1
 
# define printk(fmt, ...)                                       \
                ({                                              \
                        const char ____fmt[] = fmt;             \
                        trace_printk(____fmt, sizeof(____fmt),  \
                                     ##__VA_ARGS__);            \
                })
 
__section("cgroup/connect4")
int sock4_connect(struct bpf_sock_addr *ctx )
{
        if (ctx->user_ip4 != 0x04030201) {  // des ip is 1.2.3.4
            return SYS_PROCEED;
        }
        printk("aa %x ", ctx->user_ip4);
        ctx->user_ip4=0x19280a0a;  // set to 10.10.40.25
        printk("set ok %x,%x", ctx->user_ip4, ctx->user_port);
        return SYS_PROCEED;
}
 
BPF_LICENSE("Dual BSD/GPL");

程序说明：

判断目标ip是1.2.3.4才处理（对应16进制顺序相反，是因为系统为小端模式）。
输出目的ip，方便debug。
修改目的ip为指定的ip。
输出设置的结果。

入参bpf_sock_addr，可从cilium的源码中找到相关定义。

mysock.c

/* User bpf_sock_addr struct to access socket fields and sockaddr struct passed
 * by user and intended to be used by socket (e.g. to bind to, depends on
 * attach type).
 */
struct bpf_sock_addr {
  __u32 user_family;  /* Allows 4-byte read, but no write. */
  __u32 user_ip4;    /* Allows 1,2,4-byte read and 4-byte write.
         * Stored in network byte order.
         */
  __u32 user_ip6[4];  /* Allows 1,2,4,8-byte read and 4,8-byte write.
         * Stored in network byte order.
         */
  __u32 user_port;  /* Allows 1,2,4-byte read and 4-byte write.
         * Stored in network byte order
         */
  __u32 family;    /* Allows 4-byte read, but no write */
  __u32 type;    /* Allows 4-byte read, but no write */
  __u32 protocol;    /* Allows 4-byte read, but no write */
  __u32 msg_src_ip4;  /* Allows 1,2,4-byte read and 4-byte write.
         * Stored in network byte order.
         */
  __u32 msg_src_ip6[4];  /* Allows 1,2,4,8-byte read and 4,8-byte write.
         * Stored in network byte order.
         */
  __bpf_md_ptr(struct bpf_sock *, sk);
};

2. 程序加载

基于k8s部署cilium后，cilium会在容器中初始化好环境，我们可以直接使用，省去编译环境、cgroupv2配置的麻烦。

将上面的文件，复制到cilium的容器中（本样例中使用的cilium版本为1.12.7)。

file=./mysock.c
 
clang -O2 -target bpf -std=gnu89 -nostdinc -emit-llvm -g -Wall -Wextra -Werror -Wshadow -Wno-address-of-packed-member -Wno-unknown-warning-option -Wno-gnu-variable-sized-type-not-at-end -Wdeclaration-after-statement -Wimplicit-int-conversion -Wenum-conversion -I. -I/run/cilium/state/globals -I/var/lib/cilium/bpf -I/var/lib/cilium/bpf/include -D__NR_CPUS__=8 -DENABLE_ARP_RESPONDER=1 -DCALLS_MAP=cilium_calls_lb -c $file -o - | llc -march=bpf -mcpu=v2 -mattr=dwarfris -filetype=obj -o mysock.o
 
bpftool cgroup detach /run/cilium/cgroupv2 connect4 pinned /sys/fs/bpf/tc/globals/mytest
rm -f /sys/fs/bpf/tc/globals/mytest
 
tc exec bpf pin /sys/fs/bpf/tc/globals/mytest obj mysock.o type sockaddr attach_type connect4 sec cgroup/connect4
bpftool cgroup attach /run/cilium/cgroupv2 connect4 pinned /sys/fs/bpf/tc/globals/mytest

3.测试

开启四个终端，分别执行如下命令（直接在主机上执行）：

# command 1
cat /sys/kernel/debug/tracing/trace_pipe
# command 2
tcpconnect -P 80
# command 3
tcplife -D 80
# command 4
curl 1.2.3.4:80

因为我们会变更目的ip,所以就基于端口来抓包。

用tcplife抓包，抓的是上面perf的sock:inet_sock_set_state时的状态。
用tcpconnect抓的是connect() syscall时的状态。

4. 自己搭建ebpf环境

1. 挂载cgroup2

mkdir -p /run/cilium/cgroupv2
mount -t cgroup2  none /run/cilium/cgroupv2/

2. 加载ebp程序

因为centos8自带的tc与bpftool版本有点低，所以使用cilium中已经适配好的版本。

docker run -it --name=mytest --network=host --privileged -v $PWD:/hosts/ -v /sys/fs/bpf:/sys/fs/bpf -v /run/cilium/cgroupv2/:/run/cilium/cgroupv2 cilium:v1.12.7 bash
 
cd /hosts/
# 可以直接用之前编译好的文件
tc exec bpf pin /sys/fs/bpf/tc/globals/mytest obj mysock.o type sockaddr attach_type connect4 sec cgroup/connect4
bpftool cgroup attach /run/cilium/cgroupv2 connect4 pinned /sys/fs/bpf/tc/globals/mytest

很香！你会发现，功能已经实现了。

5. cilium逻辑讲解

框架已定型，通过在ebpf中，获取目的ip与目的端口，然后基于映射规则将目的ip与端口进行修改，从而实现vip到目的地址的转换。
由于它是在connect阶段做的转换，类似在调用connect函数时注册一个回调函数，和dnat是不同的，所以不需要在回包时转换还原。

cilium service list

这个命令可以查看cilium基于service配置的映射规则，ebpf程序再从这个规则中找到合适的bacend，并修改目的地址，然后完成转换。

6.展望

1. 这个功能可以做什么？

服务暴露关心的主要是两点：1. vip的高可用。2.负载均衡。而这两点，通过本文所介绍的方式都是可以实现的。

1.vip的高可用

vip的高可用，其本质就是在服务异常时，可以切换到服务b（这里暂不考虑有状态服务分主备的情况）。
当我们在客户端运行ebpf程序时，就不需要这个vip了。在应用时可以配置一个虚拟的地址，比如1.2.3.4，由ebpf程序来决定转换到哪个实际的后端服务。而且当服务a异常后，可以变更映射规则，切换到服务b。这一切对应用都是透明的。

2.负载均衡

既然可以将目的地址映射到服务a，那么基于服务a,b,c之间做负载均衡也是可行的。包括设置权重、熔断等。
如istio，需要在客户端注入sidecar，运行envoy程序，其实也是相类似的逻辑，只不过它是通过代理实现。除了解析目的地址外，它还支持解析数据包，比如解析http协议，在异常时自动重试，实现服务切换应用无感知。相对于应用来说，只是卡顿了一下。
ebpf程序能够满足大部分场景，而且很高效。

作者：

沃趣科技产品研发部

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