KubeEdge 与 Cilium 强强联合！！！

作者：Tomoya Fujita

本篇博客介绍如何在 KubeEdge 中启用 Cilium 容器网络接口。

为何 KubeEdge 选择 Cilium

Cilium 是 Kubernetes 集群中最为先进和高效的容器网络接口插件之一，它为容器化应用提供网络连接与安全防护。通过利用 eBPF（扩展伯克利数据包过滤器）技术，在 Linux 内核层级实现网络与安全策略，从而确保高性能的数据平面操作及细粒度的安全控制。

而 KubeEdge 则将集群编排能力拓展至边缘环境，实现统一的集群管理和专为边缘设计的高级特性。

结合 KubeEdge 使用 Cilium，即便在边缘计算环境中，也能兼得二者优势。我们能够在运行 EdgeCore 的位置部署应用容器，并借助 Cilium 与云端基础设施的工作负载相连。这是因为 Cilium 支持通过 WireGuard VPN 实现端点间流量的透明加密。

此外，我们还能依靠 Cilium Tetragon 安全可观测性和运行时执行功能，限制边缘环境中的安全风险与漏洞。

如何在 KubeEdge 中启用 Cilium

以下步骤指导如何搭建一个集 Kubernetes、KubeEdge 及 Cilium 于一体的简易集群系统。鉴于这是一种新方法，目前尚处于测试阶段，因此需要手动执行以下操作。

所有操作完成后，即可构建出结合了 KubeEdge 与 Cilium 的集群配置。

前提条件

• 需使用 KubeEdge v1.16 或更高版本：在 KubeEdge 中启用 Cilium，必须采用 v1.16 或更新的 KubeEdge 版本。这是由于 cilium-agent 需要向 Kubernetes API 服务器发起 InClusterConfig API 请求以配置自身。虽然在 Kubernetes 节点上这不是问题，但在 KubeEdge 环境下，这些 API 请求与响应需经由 KubeEdge MetaManager 传递。更多详情可参考 KubeEdge EdgeCore 对 Cilium CNI 的支持^[1]。
• 需与 KubeEdge v1.16 兼容的 Kubernetes 版本：兼容和支持的 Kubernetes 版本信息请查看此处^[2]。
• 执行命令需具备超级用户（或根用户）权限。

Kubernetes 主节点设置

参照 KubeEdge 安装前准备^[3]，设置 Kubernetes API 服务器。

### Check node status
> kubectl get nodes -o wide
NAME           STATUS   ROLES           AGE   VERSION    INTERNAL-IP     EXTERNAL-IP   OS-IMAGE             KERNEL-VERSION       CONTAINER-RUNTIME
tomoyafujita   Ready    control-plane   25s   v1.26.15   AA.BBB.CCC.DD   <none>        Ubuntu 20.04.6 LTS   5.15.0-102-generic   containerd://1.6.32

### Taint this node so that CloudCore can be deployed on the control-plane
> kubectl taint node tomoyafujita node-role.kubernetes.io/control-plane:NoSchedule-
node/tomoyafujita untainted
> kubectl get nodes -o json | jq '.items[].spec.taints'
null

Cilium 安装与设置

按照 Cilium 快速安装指南^[4]，在集群中安装并配置 cilium。

> cilium version
cilium-cli: v0.16.9 compiled with go1.22.3 on linux/amd64
cilium image (default): v1.15.5
cilium image (stable): v1.15.5
cilium image (running): unknown. Unable to obtain cilium version. Reason: release: not found

同时，在集群中启用 WireGuard VPN 安装 Cilium，

> cilium install --set encryption.enabled=true --set encryption.type=wireguard --set encryption.wireguard.persistentKeepalive=60
...

> cilium status
    /¯¯\
 /¯¯\__/¯¯\    Cilium:             OK
 \__/¯¯\__/    Operator:           OK
 /¯¯\__/¯¯\    Envoy DaemonSet:    disabled (using embedded mode)
 \__/¯¯\__/    Hubble Relay:       disabled
    \__/       ClusterMesh:        disabled

Deployment             cilium-operator    Desired: 1, Ready: 1/1, Available: 1/1
DaemonSet              cilium             Desired: 1, Ready: 1/1, Available: 1/1
Containers:            cilium             Running: 1
                       cilium-operator    Running: 1
Cluster Pods:          1/2 managed by Cilium
Helm chart version:
Image versions         cilium             quay.io/cilium/cilium:v1.15.5@sha256:4ce1666a73815101ec9a4d360af6c5b7f1193ab00d89b7124f8505dee147ca40: 1
                       cilium-operator    quay.io/cilium/operator-generic:v1.15.5@sha256:f5d3d19754074ca052be6aac5d1ffb1de1eb5f2d947222b5f10f6d97ad4383e8: 1

为 Cilium DaemonSet 添加 nodeAffinity，确保这些 Pod 只在云端节点创建。这些 Cilium Pod 属于通用型 DaemonSet，理应部署在云端节点而非运行 EdgeCore 的节点。

### Edit Cilium DaemonSet with the following patch
>  kubectl edit ds -n kube-system cilium

diff --git a/cilium-kubelet.yaml b/cilium-kubelet.yaml
index 21881e1..9946be9 100644
--- a/cilium-kubelet.yaml
+++ b/cilium-kubelet.yaml
@@ -29,6 +29,12 @@ spec:
         k8s-app: cilium
     spec:
       affinity:
+        nodeAffinity:
+          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
+            nodeSelectorTerms:
+              - matchExpressions:
+                - key: node-role.kubernetes.io/edge
+                  operator: DoesNotExist
         podAntiAffinity:
           requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
           - labelSelector:

编辑后，Cilium Pod 将重启。

KubeEdge CloudCore 设置

首先，需按照官方流程使用 Keadm 安装 KubeEdge^[5]。

本博文中，我们使用 Keadm v1.16.1 进行安装，

### Install v1.16.1 keadm command
> wget https://github.com/kubeedge/kubeedge/releases/download/v1.16.1/keadm-v1.16.1-linux-amd64.tar.gz
> tar -zxvf keadm-v1.16.1-linux-amd64.tar.gz
> cp keadm-v1.16.1-linux-amd64/keadm/keadm /usr/local/bin

> keadm version
version: version.Info{Major:"1", Minor:"16", GitVersion:"v1.16.1", GitCommit:"bd7b42acbfbe3a453c7bb75a6bb8f1e8b3db7415", GitTreeState:"clean", BuildDate:"2024-03-27T02:57:08Z", GoVersion:"go1.20.10", Compiler:"gc", Platform:"linux/amd64"}

然后，启动 v1.16.1 版本的 CloudCore。

> keadm init --advertise-address="AA.BBB.CCC.DD" --profile version=v1.16.1 --kube-config=/root/.kube/config
Kubernetes version verification passed, KubeEdge installation will start...
CLOUDCORE started
=========CHART DETAILS=======
NAME: cloudcore
LAST DEPLOYED: Tue Jun  4 17:19:15 2024
NAMESPACE: kubeedge
STATUS: deployed
REVISION: 1

CloudCore 启动后，还需启用 DynamicControllers。

### edit ConfigMap of CloudCore to enable dynamicController
> kubectl edit cm -n kubeedge cloudcore
> kubectl delete pod -n kubeedge --selector=kubeedge=cloudcore

### Check ConfigMap
> kubectl get cm -n kubeedge cloudcore -o yaml | grep "dynamicController" -A 1
      dynamicController:
        enable: true

为处理来自 MetaManager 的原生自边缘节点 Cilium 的 API，需通过编辑 clusterRole 和 clusterRolebinding 给 CloudCore 授予权限。

clusterRole:

### Edit and apply the following patch
> kubectl edit clusterrole cilium

diff --git a/cilium-clusterrole.yaml b/cilium-clusterrole.yaml
index 736e35c..fd5512e 100644
--- a/cilium-clusterrole.yaml
+++ b/cilium-clusterrole.yaml
@@ -66,6 +66,7 @@ rules:
   verbs:
   - list
   - watch
+  - get
 - apiGroups:
   - cilium.io
   resources:

clusterRolebinding:

### Edit and apply the following patch
> kubectl edit clusterrolebinding cilium

diff --git a/cilium-clusterrolebinding.yaml b/cilium-clusterrolebinding.yaml
index 9676737..ac956de 100644
--- a/cilium-clusterrolebinding.yaml
+++ b/cilium-clusterrolebinding.yaml
@@ -12,3 +12,9 @@ subjects:
 - kind: ServiceAccount
   name: cilium
   namespace: kube-system
+- kind: ServiceAccount
+  name: cloudcore
+  namespace: kubeedge
+- kind: ServiceAccount
+  name: cloudcore
+  namespace: default

最后，在 CloudCore 重启后获取令牌。

> keadm gettoken
<TOKEN_HASH>

KubeEdge EdgeCore 设置

利用上述提供的令牌，启动 EdgeCore 加入集群系统。

> keadm join --cloudcore-ipport=AA.BBB.CCC.DD:10000 --kubeedge-version=v1.16.1 --cgroupdriver=systemd --token <TOKEN_HASH>
...<snip>
I0604 21:36:31.040859 2118064 join_others.go:265] KubeEdge edgecore is running, For logs visit: journalctl -u edgecore.service -xe
I0604 21:36:41.050154 2118064 join.go:94] 9. Install Complete!

> systemctl status edgecore
● edgecore.service
     Loaded: loaded (/etc/systemd/system/edgecore.service; enabled; vendor preset: enabled)
     Active: active (running) since Tue 2024-06-04 21:36:31 PDT; 40s ago
   Main PID: 2118341 (edgecore)
      Tasks: 24 (limit: 18670)
     Memory: 31.8M
        CPU: 849ms
     CGroup: /system.slice/edgecore.service
             └─2118341 /usr/local/bin/edgecore

EdgeCore 启动后，需启用 ServiceBus 和 MetaServer，编辑 edgecore.yaml 文件。

### Edit and apply the following patch
> vi /etc/kubeedge/config/edgecore.yaml

### Restart edgecore systemd-service
> systemctl restart edgecore

diff --git a/edgecore.yaml b/edgecore.yaml
index 8d17418..5391776 100644
--- a/edgecore.yaml
+++ b/edgecore.yaml
@@ -62,6 +62,8 @@ modules:
       cgroupDriver: systemd
       cgroupsPerQOS: true
       clusterDomain: cluster.local
+      clusterDNS:
+      - 10.96.0.10
       configMapAndSecretChangeDetectionStrategy: Get
       containerLogMaxFiles: 5
       containerLogMaxSize: 10Mi
@@ -151,7 +151,7 @@ modules:
     enable: true
     metaServer:
       apiAudiences: null
-      enable: false
+      enable: true
       server: 127.0.0.1:10550
       serviceAccountIssuers:
       - https://kubernetes.default.svc.cluster.local
@@ -161,7 +161,7 @@ modules:
       tlsPrivateKeyFile: /etc/kubeedge/certs/server.key
     remoteQueryTimeout: 60
   serviceBus:
-    enable: false
+    enable: true
     port: 9060
     server: 127.0.0.1
     timeout: 60

接着，需为 EdgeCore 节点单独创建 cilium-agent 的 DaemonSet。需将 cilium-agent Pod 部署到运行 KubeEdge EdgeCore 并标记有 kubernetes.io/edge= 的节点上。此外，cilium-agent 需向 MetaServer 查询 API，而非直接访问 Kubernetes API 服务器，以保持 KubeEdge 提供的边缘自治性。

### Dump original Cilium DaemonSet configuration
> kubectl get ds -n kube-system cilium -o yaml > cilium-edgecore.yaml

### Edit and apply the following patch
> vi cilium-edgecore.yaml

### Deploy cilium-agent aligns with edgecore
> kubectl apply -f cilium-edgecore.yaml

diff --git a/cilium-edgecore.yaml b/cilium-edgecore.yaml
index bff0f0b..3d941d1 100644
--- a/cilium-edgecore.yaml
+++ b/cilium-edgecore.yaml
@@ -8,7 +8,7 @@ metadata:
     app.kubernetes.io/name: cilium-agent
     app.kubernetes.io/part-of: cilium
     k8s-app: cilium
-  name: cilium
+  name: cilium-kubeedge
   namespace: kube-system
 spec:
   revisionHistoryLimit: 10
@@ -29,6 +29,12 @@ spec:
         k8s-app: cilium
     spec:
       affinity:
+        nodeAffinity:
+          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
+            nodeSelectorTerms:
+              - matchExpressions:
+                - key: node-role.kubernetes.io/edge
+                  operator: Exists
         podAntiAffinity:
           requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
           - labelSelector:
@@ -39,6 +45,8 @@ spec:
       containers:
       - args:
         - --config-dir=/tmp/cilium/config-map
+        - --k8s-api-server=127.0.0.1:10550
+        - --auto-create-cilium-node-resource=true
         - --debug
         command:
         - cilium-agent
@@ -178,7 +186,9 @@ spec:
       dnsPolicy: ClusterFirst
       hostNetwork: true
       initContainers:
-      - command:
+      - args:
+        - --k8s-api-server=127.0.0.1:10550
+        command:
         - cilium
         - build-config
         env:

如下图所示，cilium-pq45v（标准 cilium-agent Pod）运行于云端节点，而 cilium-kubeedge-kkb7z（针对 EdgeCore 的特定 DaemonSet）则与 EdgeCore 一同运行。

> kubectl get pods -A -o wide
NAMESPACE     NAME                                   READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP               NODE           NOMINATED NODE   READINESS GATES
kube-system   cilium-kubeedge-kkb7z                  1/1     Running   0          32s     43.135.146.155   edgemaster     <none>           <none>
kube-system   cilium-operator-fdf6bc9f4-445p6        1/1     Running   0          3h40m   AA.BBB.CCC.DD    tomoyafujita   <none>           <none>
kube-system   cilium-pq45v                           1/1     Running   0          3h32m   AA.BBB.CCC.DD    tomoyafujita   <none>           <none>
kube-system   coredns-787d4945fb-2bbdf               1/1     Running   0          8h      10.0.0.104       tomoyafujita   <none>           <none>
kube-system   coredns-787d4945fb-nmd2p               1/1     Running   0          8h      10.0.0.130       tomoyafujita   <none>           <none>
kube-system   etcd-tomoyafujita                      1/1     Running   0          8h      AA.BBB.CCC.DD    tomoyafujita   <none>           <none>
kube-system   kube-apiserver-tomoyafujita            1/1     Running   1          8h      AA.BBB.CCC.DD    tomoyafujita   <none>           <none>
kube-system   kube-controller-manager-tomoyafujita   1/1     Running   0          8h      AA.BBB.CCC.DD    tomoyafujita   <none>           <none>
kube-system   kube-proxy-qmxqp                       1/1     Running   0          19m     43.135.146.155   edgemaster     <none>           <none>
kube-system   kube-proxy-v2ht7                       1/1     Running   0          8h      AA.BBB.CCC.DD    tomoyafujita   <none>           <none>
kube-system   kube-scheduler-tomoyafujita            1/1     Running   1          8h      AA.BBB.CCC.DD    tomoyafujita   <none>           <none>
kubeedge      cloudcore-df8544847-6mlw2              1/1     Running   0          4h23m   AA.BBB.CCC.DD    tomoyafujita   <none>           <none>
kubeedge      edge-eclipse-mosquitto-9cw6r           1/1     Running   0          19m     43.135.146.155   edgemaster     <none>           <none>

从 Pod 检验 Cilium 连通性

现在，Cilium 已准备好为应用 Pod 和容器提供网络连接。我们可以使用 busybox DaemonSet 测试通过 Cilium 的网络连通性。

> cat busybox.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: DaemonSet
metadata:
  name: busybox
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: busybox
  template:
    metadata:
      labels:
        app: busybox
    spec:
      containers:
      - image: busybox
        command: ["sleep", "3600"]
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        name: busybox

> kubectl apply -f busybox.yaml
daemonset.apps/busybox created

> kubectl get pods -o wide
NAME            READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP           NODE           NOMINATED NODE   READINESS GATES
busybox-mn98w   1/1     Running   0          84s   10.0.0.58    tomoyafujita   <none>           <none>
busybox-z2mbw   1/1     Running   0          84s   10.0.1.121   edgemaster     <none>           <none>

> kubectl exec --stdin --tty busybox-mn98w -- /bin/sh
/ #
/ # ping 10.0.1.121
PING 10.0.1.121 (10.0.1.121): 56 data bytes
64 bytes from 10.0.1.121: seq=0 ttl=63 time=1.326 ms
64 bytes from 10.0.1.121: seq=1 ttl=63 time=1.620 ms
64 bytes from 10.0.1.121: seq=2 ttl=63 time=1.341 ms
64 bytes from 10.0.1.121: seq=3 ttl=63 time=1.685 ms
^C
--- 10.0.1.121 ping statistics ---
4 packets transmitted, 4 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max = 1.326/1.493/1.685 ms
/ # exit
> kubectl exec --stdin --tty busybox-z2mbw -- /bin/sh
/ #
/ # ping 10.0.0.58
PING 10.0.0.58 (10.0.0.58): 56 data bytes
64 bytes from 10.0.0.58: seq=0 ttl=63 time=0.728 ms
64 bytes from 10.0.0.58: seq=1 ttl=63 time=1.178 ms
64 bytes from 10.0.0.58: seq=2 ttl=63 time=0.635 ms
64 bytes from 10.0.0.58: seq=3 ttl=63 time=1.152 ms
^C
--- 10.0.0.58 ping statistics ---
4 packets transmitted, 4 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max = 0.635/0.923/1.178 ms

通过 Cilium，busybox 容器间的跨通信功能验证一切正常！！

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