【大雲製造】爲雲而生 - 大雲BEK內核

1 簡介

BEK內核（BigCloud Enterprise Kernel，簡稱BEK內核），是BC-Linux操作系統團隊基於社區長期支持版（LTS）內核，傾力打造的一款高性能、高穩定內核產品，滿足對服務器操作系統穩定性、安全性、高性能等方面的需求，爲操作系統上層應用提供了多種功能增強和性能優化，適合部署和搭建各種企業級應用服務。BEK內核已經默認集成在BC-Linux操作系統中，用戶可根據需要選擇使用，搶鮮體驗社區高版本內核的特色功能。

2 功能及優勢

BEK內核爲用戶提供內核社區最新增強功能，在文件系統、網絡、Cgroup、KVM虛擬化等子系統上增加了大量適用於容器及雲應用場景的新特性、性能優化和安全漏洞修復，目前已經發布了多個版本，包括：

2017年5月，容器定製版1.0發佈，定製研發了4.9.6版本BEK內核，默認加載支持Overlay2文件系統驅動，爲Docker大幅提升了存儲IO性能；
2017年10月，容器定製版1.1發佈，BEK內核首次引進支持內核熱補丁技術，並增加自研補丁以支持Namespace內核參數設定，可以在容器內進行網絡調優，另外還修復了大量CVE安全漏洞；
2018年8月，BC-Linux 7.4發佈，定製研發了4.9.82版本BEK內核，默認修復了Intel CPU“熔斷”及”幽靈“漏洞，新增支持Google的TCP BBR擁塞控制算法，TCP Fastopen，IPv6 VXLAN等新特性；
2019年1月，BC-Linux 7.5發佈，定製研發了4.14.78版本BEK內核，新增支持socket“零拷貝”機制，BFQ及Kyber兩種IO調度器，virit-net默認開啓了多隊列特性，Cgroupv2支持線程模式等；
2019年5月，BC-Linux 7.6發佈，定製研發了4.19.25版本BEK內核，支持ARM架構，修復了Intel CPU的L1TF漏洞，基於紅黑樹管理tcp重傳隊列，qdisc支持CAKE隊列管理算法，xfs文件系統支持lazytime特性，並增加自研補丁支持容器Namespace內tcp_fastopen調優參數。

下面主要針對以上提到BEK內核新增的關鍵特性做一下簡要的概述：

2.1 默認修復Intel CPU漏洞

在2018年初，Intel CPU爆出兩個重大安全漏洞Spectre 、Meltdown，漏洞廣泛影響1995年之後的處理器。Intel CPU存在設計上的缺陷，導致***者可以讀取系統內核的內存，不受系統權限的限制。最新的BEK內核已經默認修復了這兩個嚴重的安全漏洞，可以使用漏洞檢測腳本進行驗證，具體方法如下：

下載並執行IntelCPU漏洞檢測腳本：

# ./spectre-meltdown-checker.sh

使用該腳本檢測漏洞修復情況，可以看到Spectre（幽靈）及Meltdown（熔斷）漏洞已經得到修復：

圖1 Intel CPU漏洞修復

2.2 BBR擁塞控制

BBR是Google在2016年提出的一種擁塞控制算法，在BEK內核4.9及以後的版本中已默認添加該算法。從 Google 的報告來看，這一新的算法可以明顯降低網絡延遲，充分利用網絡帶寬，具體開啓方法參考如下：

在/etc/sysctl.conf裏面添加如下設定，TCP默認使用BBR擁塞控制算法：

net.core.default_qdisc = fq
net.ipv4.tcp_congestion_control = bbr

保存生效：

# sysctl -p

查看確認tcp_bbr模塊可以正確加載：

# lsmod | grep bbr
tcp_bbr                20480  0

通過tc命令控制網卡丟包率達到1%：

# modprobe sch_netem
# tc qdisc add dev eth0 root netem loss 1%

在客戶端通過wget測試下載速度，下載速率爲659MB/s：

# wget http://192.168.10.184/BCLinux-R7-U4-Server-x86_64-DVD-180727.iso
…
2018-08-22 16:26:16 (659 MB/s) - ‘BCLinux-R7-U4-Server-x86_64-DVD-180727.iso’ saved [4856467456/4856467456]

關閉BBR，打開默認的CUBIC機制作爲擁塞控制算法：

net.ipv4.tcp_congestion_control = cubic
net.core.default_qdisc = pfifo_fast

同樣測試wget下載速度，可以看到下載速率下降爲175MB/s，而在BBR模式下速率爲659MB/s，所以BBR擁塞控制算法的加速效果非常明顯，在有一定丟包率的網絡鏈路上充分利用帶寬，非常適合高延遲、高帶寬的網絡鏈路：

# wget http://192.168.10.184/BCLinux-R7-U4-Server-x86_64-DVD-180727.iso
...
2018-08-22 16:24:27 (175 MB/s) - ‘BCLinux-R7-U4-Server-x86_64-DVD-180727.iso’ saved [4856467456/4856467456]

2.3 TCP Fastopen特性

TFO（TCP Fast Open）是一種能夠在TCP連接建立階段傳輸數據的機制，使用這種機制可以將數據交互提前，降低應用層事務的延遲，提高兩端點之間連接的打開速度。BEK內核開啓該特性的基本步驟參考如下：

在/etc/sysctl.conf裏面添加如下設定：

net.ipv4.tcp_fastopen = 3

保存生效：

# sysctl -p

安裝nginx服務：

# yum install nginx

配置nginx默認開啓TCP fastopen屬性：

#  cat /etc/nginx/nginx.conf | grep fastopen
listen       80 fastopen=3 reuseport default_server;
listen       [::]:80 fastopen=3 reuseport default_server;

安裝最新版本的curl工具，可以測試TCP fastopen效果：

# pushd curl
# ./buildconf
# ./configure
# make && make install
# popd

在環回接口lo抓包：

# tcpdump -i lo -s0 -w lo.pcap

通過curl測試驗證在tcp fasopen開啓的情況下，訪問nginx主頁正常，執行如下命令兩次：

# curl --tcp-fastopen localhost
# curl --tcp-fastopen localhost

tcp fasopen的key會自動隨機生成：

# cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_fastopen_key
7bc50abb-123fb8cf-9232816a-41e91ee6

抓包結果顯示有tcp fastopen cookie，而且第二次tcp連接在syn包裏會帶上get請求的數據，節省了請求包的一次來回，在數據傳輸的開始降低了延遲：

圖2 TCP Fastopen

2.4 Cgroup默認支持eBPF程序

eBPF程序可以動態的將用戶態程序插入到內核之中，能夠做到不修改程序就可以直接監控一個正在運行的進程。BEK內核支持在Cgroup中體驗eBPF程序，下面請看一個應用示例：

安裝go語言環境，源碼安裝或者利用yum源安裝go的RPM包：

# yum groupinstall "Development Tools"
# yum install go

安裝ebpf監控工具BCC^[1]，具體可以參考INSTALL.md：

# git clone https://github.com/iovisor/bcc.git
# mkdir bcc/build; cd bcc/build
# cmake .. -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=/usr
# make
# sudo make install

獲取go的bpf庫框架源碼，並將源碼恢復到支持cgroup監控的初始版本：

# go get github.com/iovisor/gobpf
# cd ~/go/src/github.com/iovisor/gobpf/
# git checkout 0da86fd81e69febe51a46ad77a464017a1b690f2

下載cgroup的ebpf測試程序^[2]：

# git clone https://github.com/kinvolk/cgroup-ebpf.git

修改該測試代碼，將AttachProgram替換爲最新的AttachCgroupProgra：

$  git diff
diff --git a/main.go b/main.go
index fb4be53..1463da2 100644
--- a/main.go
+++ b/main.go
@@ -42,7 +42,7 @@ func main() {
        }

        for cgProg := range b.IterCgroupProgram() {
-               if err := b.AttachProgram(cgProg, os.Args[2], elf.EgressType); err != nil {
+               if err := b.AttachCgroupProgram(cgProg, os.Args[2], elf.EgressType); err != nil {
                        fmt.Fprintf(os.Stderr, "%v\n", err)
                        os.Exit(1)
                }

編譯ebpf測試程序：

# make

參考測試樣例，新建cgroup-v2組，並將sshd進程加入該組：

# mkdir /cgroup2
# mount -t cgroup2 none /cgroup2
# mkdir -p /cgroup2/unified/demo
# echo 1832 > /cgroup2/unified/demo/cgroup.procs

最後執行測試程序`cgroup-ebpf`，可以監控sshd進程收發包情況：

# ./cgroup-ebpf out/ebpf.o /cgroup2/unified/demo/

2.5 Cgroup v2線程模式

BEK內核從4.14版本^[3]開始默認支持Cgroup v2的線程模式，可以創建線程子目錄，用於限制線程資源，每個線程可以綁定線程子目錄的cgroup組，具體配置方法可參考如下：

新建cgroup v2測試組：

# mkdir /cgroup2
# mount -t cgroup2 -o none /cgroup2/
# mkdir -p /cgroup2/unified/demo

默認情況下，所有進程會統計在根目錄的`cgroup.procs`裏，而所有線程統計在`cgroup.threads`裏：

#  cat /cgroup2/cgroup.procs | wc -l
156
#  cat /cgroup2/cgroup.threads | wc -l
249

舉例說明一下，如果安裝了`docker`服務，可以將dockerd-current的某個線程加入之前新建demo的組裏做資源限制：

# yum install docker
# systemctl start docker
...
# echo 1523 > /cgroup2/unified/demo/cgroup.procs
# echo 10936 > /cgroup2/unified/demo/cgroup.threads

2.6 其他Cgroup v2新增特性

BEK內核從4.19版本^[4]開始可以在cgroup v1中兼容使用v2的功能特性，例如對於cpuset組，使用方法參考如下：

首先卸載系統默認的cgroup v1的cpuset組：

# umount /sys/fs/cgroup/cpuset/

重新掛載cpuset組，增加mount選項`cpuset_v2_mode`：

# mount -t cgroup -ocpuset,nosuid,nodev,noexec,cpuset_v2_mode cgroup /sys/fs/cgroup/cpuset/

支持設定更多cgroup資源控制屬性，包括：

1. 通過配置cgroup.max.descendants設定最多子cgroup數量； 2. 通過配置cgroup.max.depth設定cgroup樹的最大深度； 3. cgroup.stat統計信息；

# cat /cgroup2/cgroup.stat
nr_descendants 2
nr_dying_descendants 0
# cat /cgroup2/cgroup.max.depth
max
# cat /cgroup2/cgroup.max.descendants
max

3 性能測試

kernel-bek默認集成使用了大量社區內核版本的功能，在研發過程中，爲了驗證社區版內核的性能以及穩定性，我們引入了成熟的PTS開源自動化測試框架，包括衆多CPU、網絡、磁盤、中間件應用性能測試套件，在Linux社區每次發佈主線或者長期支持版本內核時，都會基於社區版本自動化構建RPM包並進行性能測試，而且測試完成後會自動發送郵件通知，測試結果在Review之後可以評估決定是否發佈版本：

圖3 性能對比測試

在測試過程中，我們也發現了不少內核的缺陷，併爲社區貢獻了多個補丁，主要包括漏洞修復、代碼改進、新特性支持等功能優化，如修復潛在的內存泄露BUG，修復KVM虛機崩潰問題，ipip6隧道支持dst_cache特性以提升性能，容器命名空間內支持tcp調優參數等，進一步提升了Linux內核的可用性及穩定性。

4 後續計劃

持續開發新特性，做好性能優化，並將補丁回饋開源社區，也積極將社區最新的成果呈現給用戶。
進一步完善操作系統及內核產品文檔，給雲上用戶以最佳的體驗。
積極參與內核開發大會，分享更多操作系統及內核知識，增強社區內核領域的合作與交流。

5 結語

BEK內核由BC-Linux操作系統團隊負責開發，歡迎有志之士加入我們的團隊，共同參與雲上操作系統的開發，爲BEK內核“添磚加瓦”，探索實現更多的可能。簡歷可發至[email protected]。掃碼↓加微信瞭解更多。

參考文獻：

[1] https://github.com/iovisor/bcc/blob/master/INSTALL.md

[2] https://github.com/kinvolk/cgroup-ebpf

[3] https://kernelnewbies.org/Linux_4.14

[4] https://kernelnewbies.org/Linux_4.19

【大雲製造】爲雲而生 - 大雲BEK內核

2.1 默認修復Intel CPU漏洞

2.2 BBR擁塞控制

2.3 TCP Fastopen特性

2.4 Cgroup默認支持eBPF程序

2.5 Cgroup v2線程模式

2.6 其他Cgroup v2新增特性

查看運行中的容器創建時的命令

【大雲製造】爲雲而生 - 大雲BEK內核

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