CNI插件选型

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本文主要描述常用的CNI插件的选型，主要包括cilium，calico，flannel三种插件的对比。

1. 技术特点对比

特性 Cilium Calico Flannel
数据面技术 eBPF 加速 基于 iptables（支持 eBPF） vxlan、host-gw、ipip 等隧道技术
转发效率 高（内核级加速，直通流量） 高（支持原生路由） 中（隧道技术增加开销）
可扩展性 优（支持高级 L7 策略） 优（支持原生路由和简单网络策略） 较低（以 L3 网络为主）
延迟 低（无需额外隧道或规则） 低（无隧道或 eBPF 模式） 较高（隧道封装增加延迟）
吞吐量 高（eBPF 高效转发） 中（依赖 iptables 或 eBPF） 较低（隧道开销显著）

2. 性能指标对比

性能指标 Cilium Calico Flannel
吞吐量 高（eBPF 高效转发） 中-高（取决于模式） 较低（隧道封装损耗较大）
延迟 低（直接路由模式最佳） 较低（非隧道模式表现良好） 较高（隧道增加延迟）
CPU使用 较高（eBPF 和可观测性功能） 中（iptables/eBPF 开销） 低（简单架构）
内存使用 较高（功能丰富） 中 低

3. 测试数据示例

以下是根据典型测试场景总结的指标（单位为吞吐量 Mbps 和延迟 ms）：

测试场景 Cilium Calico Flannel
吞吐量 (单节点) ~9,000 Mbps ~8,500 Mbps ~6,000 Mbps
吞吐量 (跨节点) ~8,000 Mbps ~7,500 Mbps ~5,000 Mbps
延迟 (单节点) ~0.2 ms ~0.3 ms ~1.0 ms
延迟 (跨节点) ~0.4 ms ~0.5 ms ~2.0 ms

2020年测试数据：

数据来源：Benchmark results of Kubernetes network plugins (CNI) over 10Gbit/s network (Updated: August 2020)

[2024年]单位带宽消耗的CPU和内存数据：

数据来源：Benchmark results of Kubernetes network plugins (CNI) over 40Gbit/s network -2024

以上可以看出cilium单位消耗的CPU和内存相比于flannel高。

4. 网络性能分析

4.1. Cilium

  • 吞吐量：基于 eBPF 的数据面技术，可直接在 Linux 内核中高效转发流量，减少上下文切换。使用直连路由模式（--tunnel=disabled）时，进一步减少封装开销。
  • 延迟：支持 Sidecar-less 的服务网格架构，能够降低服务间通信延迟。
  • 资源消耗：由于其高级功能（如 Hubble 可观测性和 L7 策略），在 CPU 和内存使用上高于其他插件。

4.2. Calico

  • 吞吐量：非隧道模式下，基于 BGP 的原生路由性能接近裸机水平；启用 eBPF 模式时，性能进一步提升。
  • 延迟：表现良好，但在复杂网络策略下可能增加延迟。
  • 资源消耗：资源使用适中，适合大多数生产环境。

4.3. Flannel

  • 吞吐量：由于采用 VXLAN、IPIP 等隧道封装方式，其性能通常不如 Cilium 和 Calico。
  • 延迟：封装和解封装的额外操作导致延迟增加。
  • 资源消耗：架构简单，资源使用最低，适合资源有限的小型集群。

5. 业务场景选型

1. Cilium：适合高性能与安全需求的场景

  • 适用场景：
    • 微服务架构：Cilium 的 eBPF 技术支持 L7 数据包过滤、服务可观测性和无 Sidecar 服务网格，非常适合复杂微服务环境。
    • 边缘计算：在边缘节点上，需要低延迟和高吞吐量，Cilium 的直连路由模式（--tunnel=disabled）非常高效。
    • 多云和混合云：支持多种高级网络功能，如网络策略的灵活配置和透明的加密。
  • 局限性：
    • 部署复杂度相对较高，对 Linux 内核版本有要求（推荐 5.3+）。
    • 资源消耗比 Flannel 高。

2. Calico：适合大规模、灵活策略的企业集群

  • 适用场景：
    • 大规模 Kubernetes 集群：基于 BGP 的网络路由能够高效扩展，适合公有云和企业级大规模集群。
    • 注重安全策略：支持丰富的网络安全策略，并提供对接 eBPF 的能力，兼顾性能和策略灵活性。
    • 混合部署：Calico 可以在非 Kubernetes 工作负载中实现一致的网络策略。
  • 局限性：
    • 默认基于 iptables 的实现在高负载下性能可能不如 Cilium 的 eBPF 数据面。
    • 网络策略复杂度较高时，可能增加运维工作量。

3. Flannel：适合轻量级和资源有限的集群

  • 适用场景：
    • 小型集群：Flannel 架构简单，资源使用少，适合轻量化的 Kubernetes 部署。
    • 测试环境：性能需求较低的开发和测试环境中，可以快速搭建和运行。
    • 边缘计算（非高性能）：对网络性能要求较低的小型边缘节点可以使用。
  • 局限性：
    • 在吞吐量和延迟上不如 Cilium 和 Calico，尤其是需要大量隧道封装时。
    • 缺乏高级网络功能，例如复杂的网络策略和观测能力。

4. 推荐选择总结

场景类型 推荐插件 原因
高性能微服务架构 Cilium 提供 eBPF 技术，支持复杂策略和低延迟网络
大规模企业集群 Calico 稳定、灵活，适合多样化和大规模 Kubernetes 部署
资源受限环境 Flannel 简单易用，资源消耗低
边缘计算 Cilium/Flannel Cilium 适合高性能需求，Flannel 适合轻量级节点
混合云/多云 Cilium/Calico Cilium 支持透明加密和现代架构，Calico 提供灵活网络策略支持

参考：