全景剖析阿里云容器网络数据链路（七）：Terway DataPath V2（Terway≥1.8.0）

作者：余凯

前言

近几年，企业基础设施云原生化的趋势越来越强烈，从最开始的IaaS化到现在的微服务化，客户的颗粒度精细化和可观测性的需求更加强烈。容器网络为了满足客户更高性能和更高的密度，也一直在高速的发展和演进中，这必然对客户对云原生网络的可观测性带来了极高的门槛和挑战。为了提高云原生网络的可观测性，同时便于客户和前后线同学增加对业务链路的可读性，ACK产研和AES联合共建，梳理云原生网络数据面可观测性系列，帮助客户和前后线同学了解云原生网络架构体系，简化对云原生网络的可观测性的门槛，优化客户运维和售后同学处理疑难问题的体验，提高云原生网络的链路的稳定性。

鸟瞰容器网络，整个容器网络可以分为三个部分：Pod网段，Service网段和Node网段。这三个网络要实现互联互通和访问控制，那么实现的技术原理是什么？整个链路又是什么，限制又是什么呢？Flannel，Terway有啥区别？不同模式下网络性能如何？这些，需要客户在下搭建容器之前，就要依据自己的业务场景进行选择，而搭建完毕后，相关的架构又是无法转变，所以客户需要对每种架构特点要有充分了解。比如下图是个简图，Pod网络既要实现同一个ECS的Pod间的网络互通和控制，又要实现不同ECS Pod间的访问，Pod访问SVC 的后端可能在同一个ECS也可能是其他ECS，这些在不同模式下，数据链转发模式是不同的，从业务侧表现结果也是不一样的。

本文是[全景剖析容器网络数据链路]第七部分，主要介绍Kubernetes Terway DataPath V2模式下，数据面链路的转发链路，一是通过了解不同场景下的数据面转发链路，从而探知客户在不同的场景下访问链路的数据面表现，帮助客户进一步优化业务架构；另一方面，通过深入了解转发链路，从而在遇到容器网络抖动时候，客户运维以及阿里云同学可以知道在哪些链路点进行部署观测手动，从而进一步定界问题方向和原因。

系列一：全景剖析阿里云容器网络数据链路（一）—— Flannel

系列二：全景剖析阿里云容器网络数据链路（二）—— Terway ENI

系列三：全景剖析阿里云容器网络数据链路（三）—— Terway ENIIP

系列四：全景剖析阿里云容器网络数据链路（四）—— Terway IPVLAN+EBPF

系列五：全景剖析阿里云容器网络数据链路（五）—— Terway ENI-Trunking

系列六：全景剖析阿里云容器网络数据链路（六）—— ASM Istio

Terway DataPath V2 模式架构设计

弹性网卡（ENI）支持配置多个辅助IP的功能，单个弹性网卡（ENI）根据实例规格可以分配6～20个辅助IP，ENI多IP模式就是利用了这个辅助IP分配给容器，从而大幅提高了Pod部署的规模和密度。在网络联通的方式上，Terway目前支持veth pair策略路由和IPVLAN两种方案，但是社区在cilium v1.12版本后废弃了IPVLAN的支持 [ 1] ，为了统一数据面一致性，将ACK的数据面演进和社区保持一致，便于云原生的能力集成，减少差异化。从v1.8.0开始，Terway不再支持IPvlan隧道加速，而采用DataPath V2的方式进行数据面的统一。

Pod所使用的CIDR网段和节点的CIDR是同一个网段。

Pod内部有一张网卡eth0，其中eth0的IP就是Pod的IP，此网卡的MAC地址和控制台上的ENI的MAC地址不一致，同时ECS上有多张ethx的网卡，说明ENI附属网卡并不是直接挂载到了Pod的网络命名空间。

Pod内只有指向eth0的默认路由，说明Pod访问任何地址段都是从eth0为统一的出入口。

同时ECS上有多张ethx的网卡，说明ENI附属网卡并不是直接挂载到了Pod的网络命名空间。

通过OS Linux Routing可以得到，所有目的是Pod IP的流量都会被转发到Pod对应的calixx虚拟往卡上。因此，ECS OS和Pod的网络命名空间已经建立好完整的出入链路配置了。

对于ENI多IP的实现，这个类似于ACK容器网络数据链路（Terway ENIIP） [ 2] 原理，Terway Pod是通过Daemonset的方式部署在每个节点上的。通过terway-cli mapping命令可以得到节点上的附属ENI数量、MAC地址以及每个ENI上的IP。

对于Pod访问SVC，容器是利用各种办法将请求转发到Pod所在的ECS层面，由ECS内的netfilter模块来实现SVC IP的解析。但是由于数据链路需要从Pod的网络命名空间切换到ECS的OS的网络命名空间，中间经过了对此内核协议栈，必然会产生性能损失，如果对高并发和高性能有机制追求，可能并不完全满足客户的需求。相比较IPVLAN模式将eBPF部署在Pod内部用于SVC地址转换，DataPath V2模式的eBPF监听在每个Pod的calixxx网卡上，用于实现Pod和Pod访问的加速，以及Pod访问SVC IP的地址转后的链路加速，模式比较可以参考使用Terway网络插件 [ 3] 。

BPF Routing

5.10 内核以后，Cilium 新增了 eBPF Host-Routing 功能，新增了bpf_redirect_peer和bpf_redirect_neigh两个redirect方式。

bpf_redirect_peer

数据包不经过宿主机的lxc接口，直接被送到veth pair Pod里面接口eth0上，实现数据包少进入一次cpu backlog queue队列，获得更好的转发性能。
bpf_redirect_neigh

用来填充pod egress流量的src和dst mac地址，流量无需经过kernel的route协议栈处理过程。

故Terway DataPath V2模式总体可以归纳为：

目前低版本内核（低于4.2）不支持eBPF加速，Aliyun2可获得部分加速能力，Aliyun3可获得完整的加速能力。
节点访问Pod需要经过Host的协议栈，Pod和Pod间访问以及Pod访问SVC不经过Host的协议栈。
DataPath V2模式下，如果Pod访问SVC IP，SVC IP在Pod的veth pair calixxx网卡上被eBPF转为某个SVC后端Pod的IP，之后数据链路绕过Host协议栈。也就是说SVC IP只会在源端Pod的veth pair被捕获，目的端Pod和目的端的Pod所在ECS都无法被捕获到。

Terway DataPath V2 模式容器网络数据链路剖析

针对容器网络特点，可以将Terway datapathv2模式下的网络链路大体分为以Pod IP对外提供服务和以SVC对外提供服务两个大的SOP场景，进一步细分，可以归纳为11个不同的小的SOP场景。

对这15个场景的数据链路梳理合并，这些场景可以总结为下面8类典型的场景：

访问Pod IP，同节点访问Pod
访问Pod IP，同节点Pod间互访（Pod属于同ENI）
访问Pod IP，同节点Pod间互访（Pod属于不同ENI）
访问Pod IP，不同节点间Pod之间互访
集群内Pod访问的SVC Cluster IP/External IP，SVC后端Pod和客户端Pod属同ECS同ENI
集群内Pod访问的SVC Cluster IP/External IP，SVC后端Pod和客户端Pod属同ECS不同ENI
集群内Pod访问的SVC Cluster IP/External IP，SVC后端Pod和客户端Pod属于不同ECS
集群外访问SVC External IP

场景一：访问Pod IP，同节点访问Pod(含节点访问后端为同一节点的SVC ClusterIP)

环境

xxx.10.0.1.219节点上存在nginx2-7ff4679659-xkpmm，IP地址10.0.0.2。

内核路由

nginx2-7ff4679659-xkpmm，IP地址10.0.0.2，该容器在宿主机中的PID是5630，容器网络命名空间有指向容器eth0的默认路由。

该容器eth0在ECS OS 内对应veth pair是cali10e985649a0，在ECS OS内，有指向Pod IP，下一跳为calixxx的路由，通过前文可以知道calixxx网卡是和每个Pod内的veth1组成的pair。

通过下面的命令我们可以获取到nginx2-7ff4679659-xkpmm，IP地址10.0.0.2被terway分配到了eth2附属网卡。

kubectl --kubeconfig kubeconfig -n kube-system exec -it terway-eniip-v5v2p -c terway – terway-cli mapping

小结

ECS的eth0捕获了从nginx2-7ff4679659-xkpmm返回的数据，但是没有捕获发送数据。

ECS的eth1同样也捕获了从nginx2-7ff4679659-xkpmm返回的数据，但是没有捕获发送数据。

cali10e985649a0可以捕获发和收的数据包。

后续小结不再展示数据报文观测。

数据链路转发示意图（Aliyun2&Aliyun3）：

整个链路是经过了ECS和Pod的网络协议栈。
整个请求链路是：ECS OS -> calixxx -> ECS Pod eth0

场景二：访问Pod IP，同节点Pod间互访（Pod属于同ENI）

环境

xxx.10.0.1.219节点上存在nginx2-7ff4679659-xkpmm，IP地址10.0.0.2和centos-5bf8644bcf-jqxpk，IP地址10.0.0.13。

内核路由

centos-5bf8644bcf-jqxpk，IP地址10.0.0.13，该容器在宿主机中的PID是126938，容器网络命名空间有指向容器eth0的默认路由。

该容器eth0在ECS OS 内对应veth pair是calia7003b8c36c，在ECS OS内，有指向Pod IP，下一跳为calixxx的路由，通过前文可以知道calixxx网卡是和每个Pod内的veth1组成的pair。

nginx2-7ff4679659-xkpmm，IP地址10.0.0.2，该容器在宿主机中的PID是5630，容器网络命名空间有指向容器eth0的默认路由。

通过下面的命令我们可以获取到nginx2-7ff4679659-xkpmm和centos-5bf8644bcf-jqxpk都被terway分配到了eth2同一张附属网卡。

kubectl --kubeconfig kubeconfig -n kube-system exec -it terway-eniip-v5v2p -c terway – terway-cli mapping

小结

Aliyun2：

不会经过分配给Pod的附属网卡。
整个链路是经过了Pod的网络协议栈，链路由Pod的网络命名空间转发到对端时候，会经过eBPF加速绕过OS协议栈。
整个请求链路是：ECS Pod1 -> Pod1 calixxx -> Pod2 calixxx -> ECS Pod2。

Aliyun3：

不会经过分配给Pod的附属网卡。
整个链路会在eBPF的ingress被直接加速到目的Pod内，不会经过目的Pod的calixxx网卡。
整个请求链路是：

去方向：ECS Pod1 -> Pod1 calixxx -> ECS Pod2。
回方向：ECS Pod2 -> Pod2 calixxx -> ECS Pod1。

场景三：访问Pod IP，同节点Pod间互访（Pod属于不同ENI）

环境

xxx.10.0.1.219节点上存在ngxin3-55f5c67988-p4qnb和centos-5bf8644bcf-jqxpk两个Pod，IP地址分别为10.0.0.251和10.0.0.13。

此节点的terway Pod，利用terway-cli mapping的命令得到这两个IP（10.0.0.251和10.0.0.13）都属于不同ENI网卡，在OS层面是被认为是eth1和eth2。

内核路由

centos-5bf8644bcf-jqxpk，IP地址10.0.0.13，该容器在宿主机中的PID是126938，容器网络命名空间有指向容器eth0的默认路由。

ngxin3-55f5c67988-p4qnb，IP地址10.0.0.251，该容器在宿主机中的PID是5630，容器网络命名空间有指向容器eth0的默认路由。

该容器eth0在ECS OS 内对应veth pair是cali08203025d22，在ECS OS内，有指向Pod IP，下一跳为calixxx的路由，通过前文可以知道calixxx网卡是和每个Pod内的veth1组成的pair。

小结

Aliyun2：

不会经过分配给Pod的附属网卡。
整个链路是经过了Pod的网络协议栈，链路由Pod的网络命名空间转发到对端时候，会经过eBPF加速绕过OS协议栈
整个请求链路是：ECS Pod1 -> Pod1 calixxx -> Pod2 calixxx -> ECS Pod2。

Aliyun3：

不会经过分配给Pod的附属网卡。
整个链路会在eBPF的ingress被直接加速到目的Pod内，不会经过目的Pod的calixxx网卡。
整个请求链路是：
- 去方向：ECS Pod1 -> Pod1 calixxx -> ECS Pod2。
- 回方向：ECS Pod2 -> Pod2 calixxx -> ECS Pod1。

场景四：访问Pod IP，不同节点间Pod之间互访

环境

xxx.10.0.1.219节点上存在centos-5bf8644bcf-jqxpk，IP地址为10.0.0.13。

xxx.10.0.5.27节点上存在nginx1-7bcf4ffdb4-6rsqz，IP地址为10.0.4.121。

可以利用terway-cli show factory的命令得到centos-5bf8644bcf-jqxpk的IP 10.0.0.13属于xxx.10.0.1.219上的MAC地址为00:16:3e:0d:74:23的ENI网卡。

同理可得到nginx1-7bcf4ffdb4-6rsqz的IP 10.0.4.121属于xxx.10.0.5.27上的MAC地址为00:16:3e:0c:ef:6c的ENI网卡。

内核路由

centos-5bf8644bcf-jqxpk，IP地址10.0.0.13，该容器在宿主机中的PID是126938，容器网络命名空间有指向容器eth0的默认路由。

nginx1-7bcf4ffdb4-6rsqz，IP地址10.0.4.121，该容器在宿主机中的PID是7745，容器网络命名空间有指向容器eth0的默认路由。

该容器eth0在ECS OS 内对应veth pair是cali06cd16bb25f，在ECS OS内，有指向Pod IP，下一跳为calixxx的路由，通过前文可以知道calixxx网卡是和每个Pod内的veth1组成的pair。

小结

Aliyun2：

会经过宿主机OS的网络命名空间，但协议栈链路会被eBPF加速。
整个链路是需要从客户端Pod所属的ENI网卡出ECS再从目的Pod所属的ENI网卡进入ECS。
整个请求链路是ECS1 Pod1 -> ECS1 Pod1 calixxx -> ECS1 ENI ethx -> VPC -> ECS2 ENI ethx -> ECS2 Pod2 calixxx -> ECS2 Pod2。

Aliyun3：

整个链路是需要从客户端Pod所属的ENI网卡出发，再经过ECS再从目的Pod所属的ENI网卡进入ECS。
整个请求链路是：
- 去方向：ECS1 Pod1 -> ECS1 Pod1 calixxx -> ECS1 ENI ethx -> VPC -> ECS2 ENI ethx -> ECS2 Pod2。
- 回方向：ECS2 Pod2 -> ECS2 Pod2 calixxx -> ECS2 ENI ethx -> VPC -> ECS1 ENI ethx -> ECS1 Pod1。

场景五：集群内Pod访问的SVC Cluster IP/External IP，SVC后端Pod和客户端Pod属同ECS同ENI

环境

xxx.10.0.1.219节点上存在nginx2-7ff4679659-xkpmm，IP地址10.0.0.2和centos-5bf8644bcf-jqxpk，IP地址10.0.0.13。

其中nginx2-7ff4679659-xkpmm Pod是SVC nginx2的endpoint。

内核路由

内核路由类似场景2，此处不再叙述。

关于eBPF，在datapathv2中，eBPF监听在OS层面的calixxx网卡上，而非Pod内部。利用cilium去调用eBPF的能力，可以通过图示命令可以得到centos-5bf8644bcf-jqxpk和nginx2-7ff4679659-xkpmm identity ID分别是693和2702。

找到Pod所在的ECS的Terway Pod为terway-eniip-v5v2p，在Terway Pod中运行cilium bpf lb list | grep -A5 192.168.152.119命令可以得到eBPF中对于Cluster IP 192.168.152.119:80记录的后端是10.0.0.2:80。

小结

从客户端Pod centos-5bf8644bcf-jqxpk访问SVC。

客户端的centos-6c48766848-znkl8的calia7003b8c36c网卡观测，可以捕获SVC的IP和客户端的Pod IP。

在这个Pod centos-6c48766848-znkl8所属的附属网卡ENI上观测，未能捕获任何相关流量报文，说明流量从客户端的所属的calixx网卡到ENI之间经过了eBPF转换。

在Pod nginx2-7ff4679659-xkpmmI的cali10e985649a0观测，只能捕获centos和nginx的Pod IP。

cilium提供了一个monitor的功能，使用cilium monitor --related-to < endpoint ID > ，可以得到：源端Pod IP访问SVC IP 192.168.152.119，之后被解析到SVC的后端Pod IP 10.0.0.2，说明SVC IP直接在tc层做了转发。

Aliyun2：

整个链路是经过了Pod的网络协议栈，链路由Pod的网络命名空间转发到对端时候，会经过eBPF加速绕过OS协议栈。
整个链路请求未经过Pod所分配的ENI。
SVC IP在客户端Pod的calixxx网卡通过eBPF转换成了SVC后端Pod的IP，后续节点无法捕获SVC IP。
整个请求链路是：ECS Pod1 -> Pod1 calixxx -> Pod2 calixxx -> ECS Pod2。

Aliyun3：

整个链路是经过了Pod的网络协议栈，链路由Pod的网络命名空间转发到对端时候，会经过eBPF加速绕过OS协议栈。
整个链路请求未经过Pod所分配的ENI。
SVC IP在客户端Pod的calixxx网卡通过eBPF转换成了SVC后端Pod的IP，后续节点无法捕获SVC IP。
整个链路会在eBPF的ingress被直接加速到目的Pod内，不会经过目的Pod的calixxx网卡。
整个请求链路是：
- 去方向：ECS Pod1 -> Pod1 calixxx -> ECS Pod2。
- 回方向：ECS Pod2 -> Pod2 calixxx -> ECS Pod1。

场景六：集群内Pod访问的SVC Cluster IP/External IP，SVC后端Pod和客户端Pod属同ECS不同ENI

环境

xxx.10.0.1.219节点上存在ngxin3-55f5c67988-p4qnb，IP地址10.0.0.251和centos-5bf8644bcf-jqxpk，IP地址10.0.0.13。

其中ngxin3-55f5c67988-p4qnb Pod是SVC nginx3的endpoint。

内核路由

内核路由类似场景3，此处不再叙述。

关于eBPF，在datapathv2中，eBPF监听在OS层面的calixxx网卡上，而非Pod内部。利用cilium去调用eBPF的能力，可以通过图示命令可以得到centos-5bf8644bcf-jqxpk和ngxin3-55f5c67988-p4qnb identity ID分别是693和94。

找到Pod所在的ECS的Terway Pod为terway-eniip-v5v2p，在Terway Pod中运行cilium bpf lb list | grep -A5 192.168.239.183命令可以得到eBPF中对于Cluster IP 192.168.239.183:80记录的后端是10.0.0.2:80。

小结

从客户端Pod centos-5bf8644bcf-jqxpk访问SVC。

客户端的centos-6c48766848-znkl8的calia7003b8c36c网卡观测，可以捕获SVC的IP和客户端的Pod IP。

在Pod centos-6c48766848-znkl8所属的附属网卡ENI和ngxin3-55f5c67988-p4qnb所属的附属网卡ENI上观测，未能捕获到相关流量，说明流量从客户端的所属的calixx网卡上被eBPF转换成SVC相关的endpoint后直接被短路到目的calixxx网卡。

在Pod ngxin3-55f5c67988-p4qnb所属的cali08203025d22观测，只能捕获centos和nginx的Pod IP。

cilium提供了一个monitor的功能，使用cilium monitor --related-to < endpoint ID >，可以得到：源端Pod IP访问SVC IP 192.168.239.183，之后被解析到SVC的后端Pod IP 110.0.0.251，说明SVC IP直接在tc层做了转发。

后续小节如果涉及SVC IP的访问，如有类似，不再做详细的说明。

Aliyun2：

会经过宿主机OS的网络命名空间，但协议栈链路会被eBPF加速。
整个链路请求未经过Pod所分配的ENI。
SVC IP在客户端Pod的calixxx网卡通过eBPF转换成了SVC后端Pod的IP，后续节点无法捕获SVC IP。
整个请求链路是ECS1 Pod1 -> ECS1 Pod1 calixxx -> ECS2 Pod2 calixxx -> ECS2 Pod2。

Aliyun3：

不会经过分配给Pod的附属网卡。
整个链路会在eBPF的ingress被直接加速到目的Pod内，不会经过目的Pod的calixxx网卡。
SVC IP在客户端Pod的calixxx网卡通过eBPF转换成了SVC后端Pod的IP，后续节点无法捕获SVC IP。
整个请求链路是：

去方向：ECS Pod1 -> Pod1 calixxx -> ECS Pod2。
回方向：ECS Pod2 -> Pod2 calixxx -> ECS Pod1。

场景七：集群内Pod访问的SVC Cluster IP/External IP，SVC后端Pod和客户端Pod属于不同ECS

环境

xxx.10.0.1.219节点上存在centos-5bf8644bcf-jqxpk，IP地址为10.0.0.13。

xxx.10.0.5.27节点上存在nginx1-7bcf4ffdb4-6rsqz，IP地址为10.0.4.121。

其中nginx1-7bcf4ffdb4-6rsqz Pod是SVC nginx1的endpoint。

内核路由

Pod访问SVC的Cluster IP，而SVC的后端Pod和客户端Pod部署在不同ECS上，此架构和场景四：不同节点间Pod之间互访 [ 4] 小节相似，只不过此场景是Pod访问SVC的Cluster IP。对于Cluster IP的eBPF转发进行描述，详情请见场景五和场景六。

小结

Aliyun2：

会经过宿主机OS的网络命名空间，但协议栈链路会被eBPF加速。
整个链路是需要从客户端Pod所属的ENI网卡出ECS再从目的Pod所属的ENI网卡进入ECS。
整个请求链路是ECS1 Pod1 -> ECS1 Pod1 calixxx -> ECS1 ENI ethx -> VPC -> ECS2 ENI ethx -> ECS2 Pod2 calixxx -> ECS2 Pod2。

Aliyun3：

整个链路是需要从客户端Pod所属的ENI网卡出发，再经过ECS再从目的Pod所属的ENI网卡进入ECS。
整个请求链路是：
- 去方向：ECS1 Pod1 -> ECS1 Pod1 calixxx -> ECS1 ENI ethx -> VPC -> ECS2 ENI ethx -> ECS2 Pod2。
- 回方向：ECS2 Pod2 -> ECS2 Pod2 calixxx -> ECS2 ENI ethx -> VPC -> ECS1 ENI ethx -> ECS1 Pod1。

场景八：集群外访问SVC External IP

环境

xxx.10.0.5.27 节点上存在nginx1-7bcf4ffdb4-6rsqz，IP地址为10.0.4.121。

通过describe SVC可以得到nginx Pod被加入到了SVC nginx的后端。SVC的Cluster IP是192.168.190.78。

内核路由

在SLB控制台，可以得到lb-3nsj50u4gyz623nitxxx虚拟服务器组的后端服务器组是两个后端nginx Pod的ENI eni-j6cgs979ky3evxxx。

从集群外部角度看，SLB的后端虚拟服务器组是SVC的后端Pod所属的ENI网卡，内网的IP地址就是Pod的地址。

小结

Aliyun2：

ExternalTrafficPolicy为Local或Cluster模式下，SLB只会将Pod分配的ENI挂载到SLB的虚拟服务器组。
数据链路会经过Pod的Veth的calixxx网卡
数据链路：Client -> SLB -> Pod ENI + Pod Port -> ECS1 Pod1 calixxx -> ECS1 Pod1 eth0。

Aliyun3：