Part 6: eBPF 데이터플레인

지원 버전: Calico v3.29+ / Kubernetes 1.28+ / Linux Kernel 5.3+ 마지막 업데이트: 2026년 2월 23일

개요

Calico는 전통적인 iptables 기반 데이터플레인과 함께 현대적인 eBPF 기반 데이터플레인을 제공합니다. eBPF 모드는 더 높은 성능, 더 낮은 지연 시간, 그리고 kube-proxy 없이도 Kubernetes 서비스를 처리할 수 있는 능력을 제공합니다.

이 문서에서는 eBPF의 기본 개념부터 Calico에서의 활용, 마이그레이션 방법, 그리고 성능 최적화까지 심층적으로 다룹니다.

eBPF 기본 개념

eBPF란?

eBPF(extended Berkeley Packet Filter)는 Linux 커널 내에서 샌드박스된 프로그램을 실행할 수 있게 해주는 기술입니다. 커널을 수정하거나 모듈을 로드하지 않고도 커널의 동작을 확장할 수 있습니다.

eBPF 핵심 구성 요소

구성 요소	역할	설명
Verifier	안전성 검증	무한 루프, 메모리 위반 방지
JIT Compiler	성능 최적화	바이트코드를 네이티브 코드로 변환
BPF Maps	데이터 저장	커널-사용자 공간 데이터 공유
Helper Functions	커널 기능 접근	안전한 커널 API 호출
Hook Points	실행 지점	XDP, TC, Socket 등

eBPF Hook Points

Hook Point별 특징:

Hook Point	위치	성능	컨텍스트	사용 사례
XDP	드라이버 레벨	최고	제한적	DDoS 방어, 패킷 드롭
TC Ingress	네트워크 스택 진입	높음	풍부함	NAT, 정책, 라우팅
TC Egress	네트워크 스택 출구	높음	풍부함	NAT, 정책, 터널링
Socket Ops	소켓 레벨	보통	소켓 정보	연결 시간 LB
Cgroup	cgroup 레벨	보통	컨테이너 정보	컨테이너별 정책

Calico eBPF vs iptables 아키텍처

iptables 모드 아키텍처

iptables 모드의 문제점:

1. 선형 검색: 규칙이 많아질수록 성능 저하
2. 규칙 증가: 서비스/엔드포인트 수에 비례하여 규칙 폭발
3. 높은 지연: 체인 순회에 따른 오버헤드
4. 복잡한 NAT: kube-proxy의 NAT 규칙 복잡성

eBPF 모드 아키텍처

eBPF 모드의 장점:

1. O(1) 검색: BPF Map을 통한 해시 기반 검색
2. 단일 처리 경로: 정책, NAT, 라우팅을 한 번에 처리
3. 낮은 지연: 커널 내 최적화된 실행
4. kube-proxy 대체: 내장 서비스 처리

성능 비교

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    처리량 비교 (패킷/초)                          │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                 │
│  iptables  ████████████████████░░░░░░░░░░░░░░░░░  1.2M pps     │
│                                                                 │
│  eBPF      ████████████████████████████████████░  2.0M pps     │
│                                                                 │
│            0        0.5M      1.0M      1.5M      2.0M          │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    지연 시간 비교 (마이크로초)                     │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                 │
│  iptables  ████████████████████████████████████░  120 µs       │
│                                                                 │
│  eBPF      ████████████████████░░░░░░░░░░░░░░░░░   75 µs       │
│                                                                 │
│            0        30        60        90       120            │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    CPU 사용량 비교 (%)                           │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                 │
│  iptables  ████████████████████████████░░░░░░░░░  70%          │
│  (1000 svc)                                                     │
│                                                                 │
│  eBPF      ████████████░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░  30%          │
│  (1000 svc)                                                     │
│                                                                 │
│            0%       25%       50%       75%      100%           │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

상세 성능 비교표:

항목	iptables	eBPF	개선율
처리량	1.2M pps	2.0M pps	+67%
지연 시간	120µs	75µs	-38%
CPU 사용량 (1000 서비스)	70%	30%	-57%
메모리 사용량	높음 (규칙 수 비례)	낮음 (일정)	가변
규칙 확장성	O(n) 검색	O(1) 검색	크게 향상
연결 설정 시간	느림	빠름	-50%

Calico eBPF 프로그램 구조

주요 eBPF 프로그램

Calico는 다양한 eBPF 프로그램을 사용하여 네트워킹 기능을 구현합니다:

BPF Map 구조

# Calico가 사용하는 주요 BPF Maps

# 1. Policy Map - 네트워크 정책 규칙 저장
# Key: (src_ip, dst_ip, protocol, port)
# Value: (action, log, tier_data)

# 2. NAT Frontend Map - 서비스 VIP 매핑
# Key: (vip, port, protocol)
# Value: (backend_count, affinity_timeout, flags)

# 3. NAT Backend Map - 백엔드 엔드포인트
# Key: (service_id, backend_id)
# Value: (pod_ip, port, node_ip)

# 4. Conntrack Map - 연결 추적
# Key: (5-tuple: src_ip, dst_ip, src_port, dst_port, protocol)
# Value: (state, nat_info, timestamp, counters)

# 5. Affinity Map - 세션 어피니티
# Key: (client_ip, service_id)
# Value: (backend_id, timestamp)

# 6. Route Map - 라우팅 정보
# Key: (destination_cidr)
# Value: (next_hop, interface, flags)

Direct Server Return (DSR)

DSR은 로드밸런서 응답 트래픽이 로드밸런서를 거치지 않고 직접 클라이언트로 전송되는 방식입니다.

DSR 동작 원리

DSR 모드 비교

항목	Non-DSR	DSR
응답 경로	LB 노드 경유	직접 클라이언트로
LB 노드 부하	양방향 트래픽 처리	요청만 처리
지연 시간	높음 (추가 홉)	낮음
비대칭 라우팅	없음	있음
MTU 고려	불필요	터널링 오버헤드 고려

DSR 설정

apiVersion: projectcalico.org/v3
kind: FelixConfiguration
metadata:
  name: default
spec:
  bpfEnabled: true

  # DSR 모드 활성화
  # - Tunnel: IP-in-IP 터널 사용
  # - DSR: 직접 반환 (소스 IP를 VIP로 설정)
  bpfExternalServiceMode: "DSR"

  # 또는 Tunnel 모드 (호환성 더 좋음)
  # bpfExternalServiceMode: "Tunnel"

Connect-Time Load Balancing

연결 시점에 로드밸런싱을 수행하여 성능을 최적화합니다.

동작 원리

Connect-Time LB의 장점:

1. NAT 우회: 패킷 레벨 NAT 불필요
2. conntrack 감소: 연결 추적 엔트리 감소
3. 성능 향상: 패킷당 처리 오버헤드 제거
4. 지연 감소: 직접 연결로 홉 감소

설정

apiVersion: projectcalico.org/v3
kind: FelixConfiguration
metadata:
  name: default
spec:
  bpfEnabled: true

  # Connect-Time Load Balancing 활성화
  bpfConnectTimeLoadBalancingEnabled: true

  # ClusterIP 서비스에 대해서도 적용
  bpfHostNetworkedNATWithoutCTLB: Enabled

XDP 가속

XDP(eXpress Data Path)는 네트워크 드라이버 레벨에서 패킷을 처리하여 최고의 성능을 제공합니다.

XDP 모드

모드	설명	성능	호환성
Native	드라이버 내장 XDP	최고	드라이버 지원 필요
Generic	커널 네트워크 스택	낮음	모든 드라이버
Offload	NIC 하드웨어	매우 높음	특정 NIC만

XDP 설정

apiVersion: projectcalico.org/v3
kind: FelixConfiguration
metadata:
  name: default
spec:
  bpfEnabled: true

  # XDP 가속 활성화
  # - Disabled: XDP 비활성화
  # - Enabled: Native XDP 시도, 실패 시 Generic
  # - BestEffort: Native 지원 인터페이스에만 적용
  xdpEnabled: true

  # XDP 프로그램 새로고침 간격
  xdpRefreshInterval: 90s

XDP 지원 확인

# 드라이버 XDP 지원 확인
ethtool -i eth0 | grep driver

# XDP 프로그램 로드 상태 확인
ip link show eth0 | grep xdp

# bpftool로 XDP 프로그램 확인
bpftool net show

eBPF 모드 요구사항

시스템 요구사항

요구사항	최소	권장	비고
Linux 커널	5.3	5.8+	5.10+ LTS 권장
아키텍처	x86_64 / ARM64	x86_64	ARM64 완전 지원
BTF 지원	필수	필수	CONFIG_DEBUG_INFO_BTF=y
BPF 파일시스템	필수	필수	/sys/fs/bpf 마운트
cgroup v2	권장	권장	Connect-time LB용

커널 설정 확인

# 커널 버전 확인
uname -r

# BTF 지원 확인
ls /sys/kernel/btf/vmlinux

# BPF 파일시스템 마운트 확인
mount | grep bpf

# cgroup v2 확인
mount | grep cgroup2

# 커널 설정 확인 (일부 배포판)
cat /boot/config-$(uname -r) | grep -E "(BPF|BTF)"

# 필요한 커널 옵션들
# CONFIG_BPF=y
# CONFIG_BPF_SYSCALL=y
# CONFIG_BPF_JIT=y
# CONFIG_BPF_JIT_ALWAYS_ON=y
# CONFIG_DEBUG_INFO_BTF=y
# CONFIG_CGROUPS=y
# CONFIG_CGROUP_BPF=y

지원 환경

# 지원되는 Kubernetes 환경
지원됨:
  - 자체 관리형 Kubernetes (kubeadm, kubespray)
  - Amazon EKS (커널 5.4+)
  - Google GKE (Ubuntu 노드)
  - Azure AKS (Ubuntu 노드)
  - Red Hat OpenShift 4.8+

제한적 지원:
  - 이전 커널 버전의 관리형 서비스
  - Windows 노드 (eBPF 미지원)
  - 특정 클라우드 CNI 조합

iptables → eBPF 마이그레이션

마이그레이션 전 체크리스트

• [ ] 커널 버전 5.3+ 확인
• [ ] BTF 지원 확인
• [ ] /sys/fs/bpf 마운트 확인
• [ ] 모든 노드 동일 커널 버전
• [ ] 백업 및 롤백 계획 수립
• [ ] 테스트 환경에서 검증

단계별 마이그레이션

Step 1: 환경 검증

# 모든 노드에서 커널 버전 확인
kubectl get nodes -o wide

# BTF 지원 확인 (각 노드에서)
kubectl debug node/<node-name> -it --image=busybox -- ls /sys/kernel/btf/vmlinux

# BPF 파일시스템 마운트 확인
kubectl debug node/<node-name> -it --image=busybox -- mount | grep bpf

Step 2: Calico 업그레이드 (필요시)

# Calico 버전 확인
kubectl get deployment -n calico-system calico-kube-controllers -o jsonpath='{.spec.template.spec.containers[0].image}'

# 최신 버전으로 업그레이드 (Helm 사용 시)
helm upgrade calico projectcalico/tigera-operator \
  --namespace tigera-operator \
  --version v3.29.0

Step 3: eBPF 모드 활성화

# FelixConfiguration 업데이트
apiVersion: projectcalico.org/v3
kind: FelixConfiguration
metadata:
  name: default
spec:
  # eBPF 데이터플레인 활성화
  bpfEnabled: true

  # 데이터 인터페이스 패턴
  bpfDataIfacePattern: "^(en.*|eth.*|ens.*|eno.*|enp.*)"

  # kube-proxy iptables 규칙 정리
  bpfKubeProxyIptablesCleanupEnabled: true

  # 외부 서비스 모드 (DSR 또는 Tunnel)
  bpfExternalServiceMode: "Tunnel"

  # Connect-time Load Balancing
  bpfConnectTimeLoadBalancingEnabled: true

  # 로그 레벨
  bpfLogLevel: "Info"

# FelixConfiguration 적용
calicoctl apply -f felix-ebpf.yaml

# 또는 kubectl patch 사용
kubectl patch felixconfiguration default --type=merge \
  -p '{"spec":{"bpfEnabled":true}}'

Step 4: kube-proxy 비활성화

# 옵션 1: DaemonSet nodeSelector 변경 (권장 - 롤백 용이)
kubectl patch ds -n kube-system kube-proxy \
  -p '{"spec": {"template": {"spec": {"nodeSelector": {"non-existing-label": "true"}}}}}'

# 옵션 2: DaemonSet 삭제 (주의 필요)
kubectl delete ds kube-proxy -n kube-system

# 옵션 3: replicas를 0으로 (Deployment인 경우)
kubectl scale deployment -n kube-system kube-proxy --replicas=0

Step 5: 검증

# Calico 노드 상태 확인
kubectl get pods -n calico-system -l k8s-app=calico-node

# eBPF 프로그램 로드 확인
kubectl exec -n calico-system <calico-node-pod> -c calico-node -- \
  bpftool prog list

# BPF Map 확인
kubectl exec -n calico-system <calico-node-pod> -c calico-node -- \
  bpftool map list

# 서비스 연결 테스트
kubectl run test --rm -it --image=busybox -- wget -qO- http://kubernetes.default.svc/healthz

# Felix 로그 확인
kubectl logs -n calico-system -l k8s-app=calico-node -c calico-node | grep -i bpf

롤백 절차

# Step 1: eBPF 비활성화
kubectl patch felixconfiguration default --type=merge \
  -p '{"spec":{"bpfEnabled":false}}'

# Step 2: kube-proxy 복구
kubectl patch ds -n kube-system kube-proxy \
  -p '{"spec": {"template": {"spec": {"nodeSelector": null}}}}'

# Step 3: 노드 재시작 (깨끗한 상태 보장)
# 프로덕션에서는 롤링 방식으로 진행

eBPF 디버깅

bpftool 사용

# eBPF 프로그램 목록
bpftool prog list

# 특정 프로그램 상세 정보
bpftool prog show id <prog_id>

# 프로그램 바이트코드 덤프
bpftool prog dump xlated id <prog_id>

# JIT 컴파일된 코드 덤프
bpftool prog dump jited id <prog_id>

# BPF Map 목록
bpftool map list

# Map 내용 덤프
bpftool map dump id <map_id>

# 특정 키 조회
bpftool map lookup id <map_id> key <hex_key>

# 네트워크 인터페이스에 연결된 프로그램
bpftool net show

# perf 이벤트 프로그램
bpftool perf list

TC 필터 확인

# TC 필터 목록 (ingress)
tc filter show dev eth0 ingress

# TC 필터 목록 (egress)
tc filter show dev eth0 egress

# qdisc 정보
tc qdisc show dev eth0

# 상세 통계
tc -s filter show dev eth0 ingress

Felix 로그 분석

# BPF 관련 로그만 필터링
kubectl logs -n calico-system -l k8s-app=calico-node -c calico-node | grep -i bpf

# 에러 로그 확인
kubectl logs -n calico-system -l k8s-app=calico-node -c calico-node | grep -i error

# 정책 적용 로그
kubectl logs -n calico-system -l k8s-app=calico-node -c calico-node | grep -i policy

# 실시간 로그 모니터링
kubectl logs -n calico-system -l k8s-app=calico-node -c calico-node -f

Conntrack 확인

# eBPF conntrack 테이블 덤프
kubectl exec -n calico-system <calico-node-pod> -c calico-node -- \
  calico-node -bpf conntrack dump

# conntrack 통계
kubectl exec -n calico-system <calico-node-pod> -c calico-node -- \
  calico-node -bpf counters dump

일반적인 문제 해결

# 문제: Pod 간 통신 실패
# 해결: 라우팅 및 정책 확인
kubectl exec -n calico-system <calico-node-pod> -c calico-node -- \
  calico-node -bpf routes dump

# 문제: 서비스 접근 불가
# 해결: NAT map 확인
kubectl exec -n calico-system <calico-node-pod> -c calico-node -- \
  calico-node -bpf nat dump

# 문제: 높은 지연 시간
# 해결: BPF 프로그램 통계 확인
bpftool prog show id <prog_id> --json | jq '.run_cnt, .run_time_ns'

kube-proxy 대체 모드

완전한 kube-proxy 대체

Calico eBPF는 kube-proxy의 모든 기능을 대체할 수 있습니다:

kube-proxy 기능	Calico eBPF 구현
ClusterIP 서비스	BPF NAT Map
NodePort 서비스	BPF + XDP
LoadBalancer 서비스	BPF + DSR
ExternalIP	BPF NAT
Session Affinity	BPF Affinity Map
IPVS 모드 기능	BPF Hash LB

서비스 처리 흐름

설정 예시

apiVersion: projectcalico.org/v3
kind: FelixConfiguration
metadata:
  name: default
spec:
  bpfEnabled: true

  # kube-proxy 대체 기능
  bpfKubeProxyIptablesCleanupEnabled: true
  bpfKubeProxyEndpointSlicesEnabled: true

  # 서비스 처리 옵션
  bpfExternalServiceMode: "Tunnel"  # 또는 "DSR"
  bpfConnectTimeLoadBalancingEnabled: true

  # 성능 튜닝
  bpfMapSizeNATFrontend: 65536
  bpfMapSizeNATBackend: 262144
  bpfMapSizeNATAffinity: 65536
  bpfMapSizeConntrack: 512000

제한사항 및 주의사항

알려진 제한사항

제한사항	설명	대안
externalTrafficPolicy: Local	NodePort에서 제한적 지원	Tunnel 모드 사용
Host-networked Pods	일부 시나리오 제한	별도 정책 적용
IPv6 전용 클러스터	완전 지원 아님	Dual-stack 사용
특정 커널 버전	5.3 이전 버전 미지원	커널 업그레이드
Windows 노드	eBPF 미지원	iptables 모드

주의사항

# 1. externalTrafficPolicy: Local 서비스
# DSR 모드에서 주의 필요
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-service
spec:
  type: LoadBalancer
  externalTrafficPolicy: Local  # eBPF DSR과 호환성 확인 필요

# 권장: Tunnel 모드 사용 또는 Cluster 정책 사용
# bpfExternalServiceMode: "Tunnel"

---
# 2. Host-networked Pod
# hostNetwork: true Pod는 별도 처리 필요
apiVersion: v1
kind: Pod
spec:
  hostNetwork: true
  # eBPF CTLB가 적용되지 않을 수 있음

성능 튜닝

apiVersion: projectcalico.org/v3
kind: FelixConfiguration
metadata:
  name: default
spec:
  bpfEnabled: true

  # Map 크기 튜닝 (대규모 클러스터용)
  bpfMapSizeConntrack: 1000000     # 연결 수에 따라 조정
  bpfMapSizeNATFrontend: 65536    # 서비스 수에 따라 조정
  bpfMapSizeNATBackend: 262144    # 엔드포인트 수에 따라 조정
  bpfMapSizeNATAffinity: 65536    # 어피니티 사용량에 따라
  bpfMapSizeRoute: 65536          # 라우트 수에 따라

  # 로깅 최적화
  bpfLogLevel: "Warning"  # 프로덕션에서는 Warning 이상

  # Conntrack 타임아웃
  bpfConntrackTimeouts:
    tcpEstablished: 7200s
    tcpClosing: 300s
    udp: 60s
    icmp: 30s

---

참고 자료

• Calico eBPF 공식 문서
• eBPF 소개
• Linux Kernel BPF 문서
• Calico eBPF 성능 벤치마크

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