Kubernetes容器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

Kubernetes 中要保證容器之間網(wǎng)絡(luò)互通，網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。而 Kubernetes 本身并沒有自己實現(xiàn)容器網(wǎng)絡(luò)，而是通過插件化的方式自由接入進(jìn)來。在容器網(wǎng)絡(luò)接入進(jìn)來需要滿足如下基本原則：

pod 無論運行在任何節(jié)點都可以互相直接通信，而不需要借助 NAT 地址轉(zhuǎn)換實現(xiàn)。

node 與 pod 可以互相通信，在不限制的前提下，pod 可以訪問任意網(wǎng)絡(luò)。

pod 擁有獨立的網(wǎng)絡(luò)棧，pod 看到自己的地址和外部看見的地址應(yīng)該是一樣的，并且同個 pod 內(nèi)所有的容器共享同個網(wǎng)絡(luò)棧。

容器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

一個 Linux 容器的網(wǎng)絡(luò)棧是被隔離在它自己的 Network Namespace中，Network Namespace 包括了：網(wǎng)卡（Network Interface），回環(huán)設(shè)備（Lookback Device），路由表（Routing Table）和 iptables 規(guī)則，對于服務(wù)進(jìn)程來講這些就構(gòu)建了它發(fā)起請求和相應(yīng)的基本環(huán)境。

而要實現(xiàn)一個容器網(wǎng)絡(luò)，離不開以下 Linux 網(wǎng)絡(luò)功能：

網(wǎng)絡(luò)命名空間：將獨立的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧隔離到不同的命令空間中，彼此間無法通信。

Veth Pair：Veth設(shè)備對的引入是為了實現(xiàn)在不同網(wǎng)絡(luò)命名空間的通信，總是以兩張?zhí)摂M網(wǎng)卡（veth peer）的形式成對出現(xiàn)的。并且，從其中一端發(fā)出的數(shù)據(jù)，總是能在另外一端收到。

Iptables/Netfilter：Netfilter 負(fù)責(zé)在內(nèi)核中執(zhí)行各種掛接的規(guī)則（過濾、修改、丟棄等），運行在內(nèi)核中；Iptables 模式是在用戶模式下運行的進(jìn)程，負(fù)責(zé)協(xié)助維護(hù)內(nèi)核中 Netfilter 的各種規(guī)則表；通過二者的配合來實現(xiàn)整個 Linux 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中靈活的數(shù)據(jù)包處理機(jī)制

網(wǎng)橋：網(wǎng)橋是一個二層網(wǎng)絡(luò)虛擬設(shè)備，類似交換機(jī)，主要功能是通過學(xué)習(xí)而來的Mac地址將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)橋的不同端口上。

路由：Linux系統(tǒng)包含一個完整的路由功能，當(dāng)IP層在處理數(shù)據(jù)發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)的時候，會使用路由表來決定發(fā)往哪里

基于以上的基礎(chǔ)，同宿主機(jī)的容器時間如何通信呢？ 我們可以簡單把他們理解成兩臺主機(jī)，主機(jī)之間通過網(wǎng)線連接起來，如果要多臺主機(jī)通信，我們通過交換機(jī)就可以實現(xiàn)彼此互通，在 Linux 中，我們可以通過網(wǎng)橋來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

在容器中，以上的實現(xiàn)是通過 docker0 網(wǎng)橋，凡是連接到 docker0 的容器，就可以通過它來進(jìn)行通信。要想容器能夠連接到 docker0 網(wǎng)橋，我們也需要類似網(wǎng)線的虛擬設(shè)備Veth Pair 來把容器連接到網(wǎng)橋上。

我們啟動一個容器：

docker run -d --name c1 hub.pri.ibanyu.com/devops/alpine:v3.8 /bin/sh

然后查看網(wǎng)卡設(shè)備：

docker exec -it c1 /bin/sh/ # ifconfigeth0 Link encap:Ethernet HWaddr 02AC00:02 inet addr:172.17.0.2 Bcast:172.17.255.255 Mask:255.255.0.0 UP BROADCAST RUNNING MULTICAST MTU:1500 Metric:1 RX packets:14 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0 TX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0 collisions:0 txqueuelen:0 RX bytes:1172 （1.1 KiB） TX bytes:0 （0.0 B）

lo Link encap:Local Loopback inet addr:127.0.0.1 Mask:255.0.0.0 UP LOOPBACK RUNNING MTU:65536 Metric:1 RX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0 TX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0 collisions:0 txqueuelen:1000 RX bytes:0 （0.0 B） TX bytes:0 （0.0 B）

/ # route -nKernel IP routing tableDestination Gateway Genmask Flags Metric Ref Use Iface0.0.0.0 172.17.0.1 0.0.0.0 UG 0 0 0 eth0172.17.0.0 0.0.0.0 255.255.0.0 U 0 0 0 eth0

可以看到其中有一張 eth0 的網(wǎng)卡，它就是 veth peer 其中的一端的虛擬網(wǎng)卡。 然后通過 route -n 查看容器中的路由表，eth0 也正是默認(rèn)路由出口。所有對172.17.0.0/16 網(wǎng)段的請求都會從 eth0 出去。 我們再來看 Veth peer 的另一端，我們查看宿主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：

ifconfigdocker0： flags=4163《UP，BROADCAST，RUNNING，MULTICAST》 mtu 1500 inet 172.17.0.1 netmask 255.255.0.0 broadcast 172.17.255.255 inet6 fe80:6aff93d2 prefixlen 64 scopeid 0x20《link》 ether 026a93:d2 txqueuelen 0 （Ethernet） RX packets 0 bytes 0 （0.0 B） RX errors 0 dropped 0 overruns 0 frame 0 TX packets 8 bytes 656 （656.0 B） TX errors 0 dropped 0 overruns 0 carrier 0 collisions 0

eth0： flags=4163《UP，BROADCAST，RUNNING，MULTICAST》 mtu 1500 inet 10.100.0.2 netmask 255.255.255.0 broadcast 10.100.0.255 inet6 fe80:2ff4b44 prefixlen 64 scopeid 0x20《link》 ether 56024b:44 txqueuelen 1000 （Ethernet） RX packets 7788093 bytes 9899954680 （9.2 GiB） RX errors 0 dropped 0 overruns 0 frame 0 TX packets 5512037 bytes 9512685850 （8.8 GiB） TX errors 0 dropped 0 overruns 0 carrier 0 collisions 0

lo： flags=73《UP，LOOPBACK，RUNNING》 mtu 65536 inet 127.0.0.1 netmask 255.0.0.0 inet6 ：：1 prefixlen 128 scopeid 0x10《host》 loop txqueuelen 1000 （Local Loopback） RX packets 32 bytes 2592 （2.5 KiB） RX errors 0 dropped 0 overruns 0 frame 0 TX packets 32 bytes 2592 （2.5 KiB） TX errors 0 dropped 0 overruns 0 carrier 0 collisions 0

veth20b3dac： flags=4163《UP，BROADCAST，RUNNING，MULTICAST》 mtu 1500 inet6 fe80:9cff329 prefixlen 64 scopeid 0x20《link》 ether 329c03:29 txqueuelen 0 （Ethernet） RX packets 0 bytes 0 （0.0 B） RX errors 0 dropped 0 overruns 0 frame 0 TX packets 8 bytes 656 （656.0 B） TX errors 0 dropped 0 overruns 0 carrier 0 collisions 0

我們可以看到，容器對應(yīng)的 Veth peer 另一端是宿主機(jī)上的一塊虛擬網(wǎng)卡叫veth20b3dac，并且可以通過 brctl 查看網(wǎng)橋信息看到這張網(wǎng)卡是在 docker0 上。

# brctl showdocker0 8000.02426a4693d2 no veth20b3dac

然后我們再啟動一個容器，從第一個容器是否能 ping 通第二個容器。

$ docker run -d --name c2 -it hub.pri.ibanyu.com/devops/alpine:v3.8 /bin/sh$ docker exec -it c1 /bin/sh/ # ping 172.17.0.3PING 172.17.0.3 （172.17.0.3）： 56 data bytes64 bytes from 172.17.0.3： seq=0 ttl=64 time=0.291 ms64 bytes from 172.17.0.3： seq=1 ttl=64 time=0.129 ms64 bytes from 172.17.0.3： seq=2 ttl=64 time=0.142 ms64 bytes from 172.17.0.3： seq=3 ttl=64 time=0.169 ms64 bytes from 172.17.0.3： seq=4 ttl=64 time=0.194 ms^C--- 172.17.0.3 ping statistics ---5 packets transmitted， 5 packets received， 0% packet lossround-trip min/avg/max = 0.129/0.185/0.291 ms

可以看到，能夠 ping 通，其原理就是我們 ping 目標(biāo) IP 172.17.0.3時，會匹配到我們的路由表第二條規(guī)則，網(wǎng)關(guān)為0.0.0.0，這就意味著是一條直連路由，通過二層轉(zhuǎn)發(fā)到目的地。

要通過二層網(wǎng)絡(luò)到達(dá)172.17.0.3，我們需要知道它的 Mac 地址，此時就需要第一個容器發(fā)送一個ARP廣播，來通過IP地址查找Mac。

此時 Veth peer 另外一段是 docker0 網(wǎng)橋，它會廣播到所有連接它的 veth peer 虛擬網(wǎng)卡去，然后正確的虛擬網(wǎng)卡收到后會響應(yīng)這個ARP報文，然后網(wǎng)橋再回給第一個容器。

以上就是同宿主機(jī)不同容器通過 docker0 通信，如下圖所示：

默認(rèn)情況下，通過 network namespace 限制的容器進(jìn)程，本質(zhì)上是通過Veth peer設(shè)備和宿主機(jī)網(wǎng)橋的方式，實現(xiàn)了不同 network namespace 的數(shù)據(jù)交換。 與之類似地，當(dāng)你在一臺宿主機(jī)上，訪問該宿主機(jī)上的容器的 IP 地址時，這個請求的數(shù)據(jù)包，也是先根據(jù)路由規(guī)則到達(dá) docker0 網(wǎng)橋，然后被轉(zhuǎn)發(fā)到對應(yīng)的 Veth Pair 設(shè)備，最后出現(xiàn)在容器里。

跨主機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信

在 Docker 的默認(rèn)配置下，不同宿主機(jī)上的容器通過 IP 地址進(jìn)行互相訪問是根本做不到的。為了解決這個問題，社區(qū)中出現(xiàn)了很多網(wǎng)絡(luò)方案。同時 K8s 為了更好的控制網(wǎng)絡(luò)的接入，推出了 CNI 即容器網(wǎng)絡(luò)的 API 接口。

它是 K8s 中標(biāo)準(zhǔn)的一個調(diào)用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的接口，kubelet通過這個API來調(diào)用不同的網(wǎng)絡(luò)插件以實現(xiàn)不同的網(wǎng)絡(luò)配置，實現(xiàn)了這個接口的就是CNI插件，它實現(xiàn)了一系列的CNI API接口。目前已經(jīng)有的包括flannel、calico、weave、contiv等等。

實際上 CNI 的容器網(wǎng)絡(luò)通信流程跟前面的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)一樣，只是CNI維護(hù)了一個單獨的網(wǎng)橋來代替 docker0。這個網(wǎng)橋的名字就叫作：CNI 網(wǎng)橋，它在宿主機(jī)上的設(shè)備名稱默認(rèn)是：cni0。

cni的設(shè)計思想，就是：Kubernetes 在啟動 Infra 容器之后，就可以直接調(diào)用 CNI 網(wǎng)絡(luò)插件，為這個 Infra 容器的 Network Namespace，配置符合預(yù)期的網(wǎng)絡(luò)棧。

CNI 插件三種網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)模式：

overlay 模式是基于隧道技術(shù)實現(xiàn)的，整個容器網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)網(wǎng)絡(luò)獨立，容器之間跨主機(jī)通信時將整個容器網(wǎng)絡(luò)封裝到底層網(wǎng)絡(luò)中，然后到達(dá)目標(biāo)機(jī)器后再解封裝傳遞到目標(biāo)容器。不依賴與底層網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)。實現(xiàn)的插件有flannel（UDP、vxlan）、calico（IPIP）等等

三層路由模式中容器和主機(jī)也屬于不通的網(wǎng)段，他們?nèi)萜骰ネㄖ饕腔诼酚杀泶蛲ǎ瑹o需在主機(jī)之間建立隧道封包。但是限制條件必須依賴大二層同個局域網(wǎng)內(nèi)。實現(xiàn)的插件有flannel（host-gw）、calico（BGP）等等

underlay網(wǎng)絡(luò)是底層網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)互聯(lián)互通。容器網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)網(wǎng)絡(luò)依然分屬不同的網(wǎng)段，但是彼此處于同一層網(wǎng)絡(luò)，處于相同的地位。整個網(wǎng)絡(luò)三層互通，沒有大二層的限制，但是需要強(qiáng)依賴底層網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)支持。實現(xiàn)的插件有calico（BGP）等等

我們看下路由模式的一種實現(xiàn) flannel Host-gw：

如圖可以看到當(dāng) node1上container-1 要發(fā)數(shù)據(jù)給 node2 上的 container2 時，會匹配到如下的路由表規(guī)則：

10.244.1.0/24 via 10.168.0.3 dev eth0

表示前往目標(biāo)網(wǎng)段 10.244.1.0/24 的 IP 包，需要經(jīng)過本機(jī) eth0 出去發(fā)往的下一跳ip地址為10.168.0.3（node2）。然后到達(dá) 10.168.0.3 以后再通過路由表轉(zhuǎn)發(fā) cni 網(wǎng)橋，進(jìn)而進(jìn)入到 container2。

以上可以看到 host-gw 工作原理，其實就是在每個 node 節(jié)點配置到每個 pod 網(wǎng)段的下一跳為pod網(wǎng)段所在的 node 節(jié)點 IP，pod 網(wǎng)段和 node 節(jié)點 ip 的映射關(guān)系，flannel 保存在etcd或者k8s中。flannel 只需要 watch 這些數(shù)據(jù)的變化來動態(tài)更新路由表即可。

這種網(wǎng)絡(luò)模式最大的好處就是避免了額外的封包和解包帶來的網(wǎng)絡(luò)性能損耗。缺點我們也能看見主要就是容器ip包通過下一跳出去時，必須要二層通信封裝成數(shù)據(jù)幀發(fā)送到下一跳。如果不在同個二層局域網(wǎng)，那么就要交給三層網(wǎng)關(guān)，而此時網(wǎng)關(guān)是不知道目標(biāo)容器網(wǎng)絡(luò)的（也可以靜態(tài)在每個網(wǎng)關(guān)配置pod網(wǎng)段路由）。所以 flannel host-gw 必須要求集群宿主機(jī)是二層互通的。

而為了解決二層互通的限制性，calico提供的網(wǎng)絡(luò)方案就可以更好的實現(xiàn)，calico 大三層網(wǎng)絡(luò)模式與flannel 提供的類似，也會在每臺宿主機(jī)添加如下格式的路由規(guī)則：

《目標(biāo)容器IP網(wǎng)段》 via 《網(wǎng)關(guān)的IP地址》 dev eth0

其中網(wǎng)關(guān)的 IP 地址不通場景有不同的意思，如果宿主機(jī)是二層可達(dá)那么就是目的容器所在的宿主機(jī)的 IP 地址，如果是三層不同局域網(wǎng)那么就是本機(jī)宿主機(jī)的網(wǎng)關(guān)IP（交換機(jī)或者路由器地址）。 不同于 flannel 通過 k8s 或者 etcd 存儲的數(shù)據(jù)來維護(hù)本機(jī)路由信息的做法，calico是通過BGP 動態(tài)路由協(xié)議來分發(fā)整個集群路由信息。

BGP 全稱是 Border Gateway Protocol邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議，linxu原生支持的、專門用于在大規(guī)模數(shù)據(jù)中心為不同的自治系統(tǒng)之間傳遞路由信息。只要記住BGP簡單理解其實就是實現(xiàn)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點路由信息同步共享的一種協(xié)議。而BGP這種協(xié)議就能代替flannel 維護(hù)主機(jī)路由表功能。

calico 主要由三個部分組成：

calico cni插件： 主要負(fù)責(zé)與kubernetes對接，供kubelet調(diào)用使用。

felix： 負(fù)責(zé)維護(hù)宿主機(jī)上的路由規(guī)則、FIB轉(zhuǎn)發(fā)信息庫等。

BIRD： 負(fù)責(zé)分發(fā)路由規(guī)則，類似路由器。

confd： 配置管理組件。

除此之外，calico 還和 flannel host-gw 不同之處在于，它不會創(chuàng)建網(wǎng)橋設(shè)備，而是通過路由表來維護(hù)每個pod的通信，如下圖所示：

可以看到 calico 的 cni 插件會為每個容器設(shè)置一個 veth pair 設(shè)備，然后把另一端接入到宿主機(jī)網(wǎng)絡(luò)空間，由于沒有網(wǎng)橋，cni 插件還需要在宿主機(jī)上為每個容器的 veth pair設(shè)備配置一條路由規(guī)則，用于接收傳入的IP包，路由規(guī)則如下：

10.92.77.163 dev cali93a8a799fe1 scope link

以上表示發(fā)送10.92.77.163的IP包應(yīng)該發(fā)給cali93a8a799fe1設(shè)備，然后到達(dá)另外一段容器中。

有了這樣的veth pair設(shè)備以后，容器發(fā)出的IP包就會通過veth pair設(shè)備到達(dá)宿主機(jī)，然后宿主機(jī)根據(jù)路有規(guī)則的下一條地址，發(fā)送給正確的網(wǎng)關(guān)（10.100.1.3），然后到達(dá)目標(biāo)宿主機(jī)，在到達(dá)目標(biāo)容器。

10.92.160.0/23 via 10.106.65.2 dev bond0 proto bird

這些路由規(guī)則都是felix維護(hù)配置的，而路由信息則是calico bird組件基于BGP分發(fā)而來。calico實際上是將集群里所有的節(jié)點都當(dāng)做邊界路由器來處理，他們一起組成了一個全互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，彼此之間通過BGP交換路由，這些節(jié)點我們叫做BGP Peer。

需要注意的是calico 維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的默認(rèn)模式是 node-to-node mesh ，這種模式下，每臺宿主機(jī)的BGP client都會跟集群所有的節(jié)點BGP client進(jìn)行通信交換路由。這樣一來，隨著節(jié)點規(guī)模數(shù)量N的增加，連接會以N的2次方增長，會集群網(wǎng)絡(luò)本身帶來巨大壓力。

所以一般這種模式推薦的集群規(guī)模在50節(jié)點左右，超過50節(jié)點推薦使用另外一種RR（Router Reflector）模式，這種模式下，calico 可以指定幾個節(jié)點作為RR，他們負(fù)責(zé)跟所有節(jié)點 BGP client 建立通信來學(xué)習(xí)集群所有的路由，其他節(jié)點只需要跟RR節(jié)點交換路由即可。這樣大大降低了連接數(shù)量，同時為了集群網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，建議RR》=2.

以上的工作原理依然是在二層通信，當(dāng)我們有兩臺宿主機(jī)，一臺是10.100.0.2/24，節(jié)點上容器網(wǎng)絡(luò)是10.92.204.0/24;另外一臺是10.100.1.2/24，節(jié)點上容器網(wǎng)絡(luò)是10.92.203.0/24，此時兩臺機(jī)器因為不在同個二層所以需要三層路由通信，這時calico就會在節(jié)點上生成如下路由表：

10.92.203.0/23 via 10.100.1.2 dev eth0 proto bird

這時候問題就來了，因為10.100.1.2跟我們10.100.0.2不在同個子網(wǎng)，是不能二層通信的。這之后就需要使用Calico IPIP模式，當(dāng)宿主機(jī)不在同個二層網(wǎng)絡(luò)時就是用overlay網(wǎng)絡(luò)封裝以后再發(fā)出去。如下圖所示：

IPIP模式下在非二層通信時，calico 會在node節(jié)點添加如下路由規(guī)則：

10.92.203.0/24 via 10.100.1.2 dev tunnel0

可以看到盡管下一條任然是node的IP地址，但是出口設(shè)備卻是tunnel0，其是一個IP隧道設(shè)備，主要有Linux內(nèi)核的IPIP驅(qū)動實現(xiàn)。會將容器的ip包直接封裝宿主機(jī)網(wǎng)絡(luò)的IP包中，這樣到達(dá)node2以后再經(jīng)過IPIP驅(qū)動拆包拿到原始容器IP包，然后通過路由規(guī)則發(fā)送給veth pair設(shè)備到達(dá)目標(biāo)容器。 以上盡管可以解決非二層網(wǎng)絡(luò)通信，但是仍然會因為封包和解包導(dǎo)致性能下降。如果calico 能夠讓宿主機(jī)之間的router設(shè)備也學(xué)習(xí)到容器路由規(guī)則，這樣就可以直接三層通信了。比如在路由器添加如下的路由表：

10.92.203.0/24 via 10.100.1.2 dev interface1

而node1添加如下的路由表：

10.92.203.0/24 via 10.100.1.1 dev tunnel0

那么node1上的容器發(fā)出的IP包，基于本地路由表發(fā)送給10.100.1.1網(wǎng)關(guān)路由器，然后路由器收到IP包查看目的IP，通過本地路由表找到下一跳地址發(fā)送到node2，最終到達(dá)目的容器。這種方案，我們是可以基于underlay 網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，只要底層支持BGP網(wǎng)絡(luò)，可以和我們RR節(jié)點建立EBGP關(guān)系來交換集群內(nèi)的路由信息。 以上就是kubernetes 常用的幾種網(wǎng)絡(luò)方案了，在公有云場景下一般用云廠商提供的或者使用flannel host-gw這種更簡單，而私有物理機(jī)房環(huán)境中，Calico項目更加適合。根據(jù)自己的實際場景，再選擇合適的網(wǎng)絡(luò)方案。

文章出處：【微信公眾號：馬哥Linux運維】

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