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kubernetes学习总结（18）——kubernetes容器网络

科技D人生      2022-02-16     757

关键词：

前言

在 Kubernetes 中要保证容器之间网络互通网络至关重要。Kubernetes 本身并没有实现容器网络而是通过插件化的方式自由接入，容器网络接入需要满足如下基本原则：

  • pod 无论运行在任何节点都可以互相直接通信，而不需要借助 NAT 地址转换实现。
  • node 与 pod 可以互相通信，在不限制的前提下，pod 可以访问任意网络。
  • pod 拥有独立的网络栈，pod 看到自己的地址和外部看见的地址应该是一样的，并且同个 pod 内所有的容器共享同个网络栈。

容器网络基础

一个 Linux 容器的网络栈是被隔离在它自己的 Network Namespace 中，Network Namespace 包括了：网卡(Network Interface)，回环设备(Lookback Device)，路由表(Routing Table)和 iptables 规则，对于服务进程来讲这些就构建了它发起请求和相应的基本环境。而要实现一个容器网络，离不开以下 linux 网络功能：

  • 网络命名空间：将独立的网络协议栈隔离到不同的命令空间中，彼此间无法通信。
  • Veth Pair：Veth 设备对的引入是为了实现在不同网络命名空间的通信，并且总是以两张虚拟网卡(veth peer) 的形式成对出现的。从其中一端发出的数据总是能在另外一端收到。
  • Iptables/Netfilter：Netfilter 负责在内核中执行各种挂接的规则(过滤、修改、丢弃等)，运行在内核中；Iptables 模式是在用户模式下运行的进程，负责协助维护内核中 Netfilter 的各种规则表；通过二者的配合来实现整个 Linux 网络协议栈中灵活的数据包处理机制。

  • 网桥：网桥是一个二层网络虚拟设备,类似交换机,主要功能是通过学习而来的 Mac 地址将数据帧转发到网桥的不同端口上。

  • 路由：Linux 系统包含一个完整的路由功能，当 IP 层在处理数据发送或转发的时候，会使用路由表来决定发往哪里。

基于以上的基础，同宿主机的容器时间如何通信呢？我们可以简单把他们理解成两台主机，主机之间通过网线连接起来，如果要多台主机通信，我们通过交换机就可以实现彼此互通，在 linux 中，我们可以通过网桥来转发数据。在容器中，以上的实现是通过 docker0 网桥，凡是连接到 docker0 的容器，就可以通过它来进行通信。要想容器能够连接到 docker0 网桥，我们也需要类似网线的虚拟设备 Veth Pair 来把容器连接到网桥上。我们启动一个容器：

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

然后查看网卡设备： 

$ docker exec -it c1  /bin/sh
/ # ifconfig
eth0      Link encap:Ethernet  HWaddr 02:42:AC:11:00:02
          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 -n
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
0.0.0.0         172.17.0.1      0.0.0.0         UG    0      0        0 eth0
172.17.0.0      0.0.0.0         255.255.0.0     U     0      0        0 eth0

可以看到其中有一张 eth0 的网卡，它就是 veth peer 其中的一端的虚拟网卡。然后通过 route -n 查看容器中的路由表，eth0 也正是默认路由出口。所有对 172.17.0.0/16 网段的请求都会从 eth0 出去。我们再来看 Veth peer 的另一端，我们查看宿主机的网络设备： 

# ifconfig
docker0: 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::42:6aff:fe46:93d2  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 02:42:6a:46:93: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::5400:2ff:fea3:4b44  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 56:00:02:a3:4b: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::30e2:9cff:fe45:329  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 32:e2:9c:45:03:29  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

 我们可以看到，容器对应的 Veth peer 另一端是宿主机上的一块虚拟网卡叫 veth20b3dac，并且可以通过 brctl 查看网桥信息看到这张网卡是在 docker0 上。 

# brctl show
docker0		8000.02426a4693d2	no		veth20b3dac

然后我们再启动一个容器，从第一个容器是否能 ping 通第二个容器。

$ docker run -d --name c2 -it hub.pri.ibanyu.com/devops/alpine:v3.8 /bin/sh
$ docker exec -it c1 /bin/sh
/ # ping 172.17.0.3
PING 172.17.0.3 (172.17.0.3): 56 data bytes
64 bytes from 172.17.0.3: seq=0 ttl=64 time=0.291 ms
64 bytes from 172.17.0.3: seq=1 ttl=64 time=0.129 ms
64 bytes from 172.17.0.3: seq=2 ttl=64 time=0.142 ms
64 bytes from 172.17.0.3: seq=3 ttl=64 time=0.169 ms
64 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 loss
round-trip min/avg/max = 0.129/0.185/0.291 ms

可以看到，能够 ping 通，其原理就是我们 ping 目标 IP 172.17.0.3 时，会匹配到我们的路由表第二条规则，网关为 0.0.0.0，这就意味着是一条直连路由，通过二层转发到目的地。要通过二层网络到达 172.17.0.3，我们需要知道它的 Mac 地址，此时就需要第一个容器发送一个 ARP 广播，来通过 IP 地址查找 Mac。此时 Veth peer 另外一段是 docker0 网桥，它会广播到所有连接它的 veth peer 虚拟网卡去，然后正确的虚拟网卡收到后会响应这个 ARP 报文，然后网桥再回给第一个容器。以上就是同宿主机不同容器通过 docker0 通信，如下图所示：

 默认情况下，通过 network namespace 限制的容器进程，本质上是通过 Veth peer 设备和宿主机网桥的方式，实现了不同 network namespace 的数据交换。与之类似地，当你在一台宿主机上，访问该宿主机上的容器的 IP 地址时，这个请求的数据包，也是先根据路由规则到达 docker0 网桥，然后被转发到对应的 Veth Pair 设备，最后出现在容器里。

跨主机网络通信

在 Docker 的默认配置下，不同宿主机上的容器通过 IP 地址进行互相访问是根本做不到的。为了解决这个问题，社区中出现了很多网络方案。同时 k8s 为了更好的控制网络的接入，推出了 CNI 即容器网络的 API 接口。它是 k8s 中标准的一个调用网络实现的接口，kubelet 通过这个 API 来调用不同的网络插件以实现不同的网络配置，实现了这个接口的就是 CNI 插件，它实现了一系列的 CNI API 接口。目前已经有的包括 flannel、calico、weave、contiv 等等。实际上 CNI 的容器网络通信流程跟前面的基础网络一样，只是 CNI 维护了一个单独的网桥来代替 docker0。这个网桥的名字就叫作：CNI 网桥，它在宿主机上的设备名称默认是：cni0。cni 的设计思想，就是：Kubernetes 在启动 Infra 容器之后，就可以直接调用 CNI 网络插件，为这个 Infra 容器的 Network Namespace，配置符合预期的网络栈。CNI 插件三种网络实现模式：

  • overlay 模式是基于隧道技术实现的，整个容器网络和主机网络独立，容器之间跨主机通信时将整个容器网络封装到底层网络中，然后到达目标机器后再解封装传递到目标容器。不依赖与底层网络的实现。实现的插件有 flannel(UDP、vxlan)、calico(IPIP)等等

  • 三层路由模式中容器和主机也属于不通的网段，他们容器互通主要是基于路由表打通，无需在主机之间建立隧道封包。但是限制条件必须依赖大二层同个局域网内。实现的插件有flannel(host-gw)、calico(BGP)等等

  • underlay 网络是底层网络，负责互联互通。 容器网络和主机网络依然分属不同的网段，但是彼此处于同一层网络，处于相同的地位。整个网络三层互通，没有大二层的限制，但是需要强依赖底层网络的实现支持.实现的插件有 calico(BGP)等等

我们看下路由模式的一种实现 flannel Host-gw：


如图可以看到当 node1 上 container-1 要发数据给 node2 上的 container2 时,会匹配到如下的路由表规则： 

10.244.1.0/24 via 10.168.0.3 dev eth0

以上可以看到 host-gw 工作原理，其实就是在每个 node 节点配置到每个 pod 网段的下一跳为 pod 网段所在的 node 节点 IP，pod 网段和 node 节点 ip 的映射关系，flannel 保存在 etcd 或者 k8s 中。flannel 只需要 watch 这些数据的变化来动态更新路由表即可.表示前往目标网段 10.244.1.0/24 的 IP 包，需要经过本机 eth0 出去发往的下一跳 ip 地址为 10.168.0.3(node2).然后到达 10.168.0.3 以后再通过路由表转发 cni 网桥，进而进入到 container2。这种网络模式最大的好处就是避免了额外的封包和解包带来的网络性能损耗。缺点我们也能看见主要就是容器 ip 包通过下一跳出去时，必须要二层通信封装成数据帧发送到下一跳。如果不在同个二层局域网，那么就要交给三层网关，而此时网关是不知道目标容器网络的(也可以静态在每个网关配置 pod 网段路由)。所以 flannel host-gw 必须要求集群宿主机是二层互通的。而为了解决二层互通的限制性，calico 提供的网络方案就可以更好的实现，calico 大三层网络模式与 flannel 提供的类似,也会在每台宿主机添加如下格式的路由规则：

<目标容器IP网段> via <网关的IP地址> dev eth0

不同于 flannel 通过 k8s 或者 etcd 存储的数据来维护本机路由信息的做法，calico 是通过 BGP 动态路由协议来分发整个集群路由信息。其中网关的 IP 地址不通场景有不同的意思,如果宿主机是二层可达那么就是目的容器所在的宿主机的 IP 地址，如果是三层不同局域网那么就是本机宿主机的网关 IP(交换机或者路由器地址)。BGP 全称是 Border Gateway Protocol 边界网关协议,linux 原生支持的、专门用于在大规模数据中心为不同的自治系统之间传递路由信息。只要记住 BGP 简单理解其实就是实现大规模网络中节点路由信息同步共享的一种协议。而 BGP 这种协议就能代替 flannel 维护主机路由表功能。calico 主要由三个部分组成:

  • calico cni 插件: 主要负责与 kubernetes 对接，供 kubelet 调用使用。
  • felix: 负责维护宿主机上的路由规则、FIB 转发信息库等。
  • BIRD: 负责分发路由规则，类似路由器。
  • confd: 配置管理组件。

除此之外，calico 还和 flannel host-gw 不同之处在于，它不会创建网桥设备，而是通过路由表来维护每个 pod 的通信，如下图所示：

 可以看到 calico 的 cni 插件会为每个容器设置一个 veth pair 设备,然后把另一端接入到宿主机网络空间，由于没有网桥，cni 插件还需要在宿主机上为每个容器的 veth pair 设备配置一条路由规则，用于接收传入的 IP 包，路由规则如下:

10.92.77.163 dev cali93a8a799fe1 scope link

有了这样的 veth pair 设备以后，容器发出的 IP 包就会通过 veth pair 设备到达宿主机，然后宿主机根据路有规则的下一条地址，发送给正确的网关(10.100.1.3)，然后到达目标宿主机，在到达目标容器.以上表示发送 10.92.77.163 的 IP 包应该发给 cali93a8a799fe1 设备，然后到达另外一段容器中。

10.92.160.0/23 via 10.106.65.2 dev bond0 proto bird

需要注意的是 calico 维护网络的默认模式是 node-to-node mesh ,这种模式下，每台宿主机的 BGP client 都会跟集群所有的节点 BGP client 进行通信交换路由。这样一来，随着节点规模数量N的增加，连接会以 N 的 2 次方增长，会集群网络本身带来巨大压力。这些路由规则都是 felix 维护配置的，而路由信息则是 calico bird 组件基于 BGP 分发而来。calico 实际上是将集群里所有的节点都当做边界路由器来处理,他们一起组成了一个全互联的网络，彼此之间通过 BGP 交换路由，这些节点我们叫做 BGP Peer。所以一般这种模式推荐的集群规模在 50 节点左右,超过 50 节点推荐使用另外一种 RR(Router Reflector)模式，这种模式下，calico 可以指定几个节点作为 RR，他们负责跟所有节点 BGP client 建立通信来学习集群所有的路由，其他节点只需要跟 RR 节点交换路由即可。这样大大降低了连接数量，同时为了集群网络稳定性，建议 RR>=2.

 以上的工作原理依然是在二层通信，当我们有两台宿主机，一台是 10.100.0.2/24，节点上容器网络是 10.92.204.0/24;另外一台是 10.100.1.2/24,节点上容器网络是 10.92.203.0/24,此时两台机器因为不在同个二层所以需要三层路由通信，这时 calico 就会在节点上生成如下路由表：

10.92.203.0/23 via 10.100.1.2 dev eth0 proto bird

这时候问题就来了，因为 10.100.1.2 跟我们 10.100.0.2 不在同个子网，是不能二层通信的。这之后就需要使用 Calico IPIP 模式，当宿主机不在同个二层网络时就是用 overlay 网络封装以后再发出去。如下图所示：

 IPIP 模式下在非二层通信时，calico 会在 node 节点添加如下路由规则：

10.92.203.0/24 via 10.100.1.2 dev tunnel0

以上尽管可以解决非二层网络通信，但是仍然会因为封包和解包导致性能下降。如果 calico 能够让宿主机之间的 router 设备也学习到容器路由规则，这样就可以直接三层通信了。比如在路由器添加如下的路由表:可以看到尽管下一条任然是 node 的 IP 地址，但是出口设备却是 tunnel0,其是一个 IP 隧道设备，主要有 Linux 内核的 IPIP 驱动实现。会将容器的 ip 包直接封装宿主机网络的 IP 包中，这样到达 node2 以后再经过 IPIP 驱动拆包拿到原始容器 IP 包，然后通过路由规则发送给 veth pair 设备到达目标容器。

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

以上就是 kubernetes 常用的几种网络方案了，在公有云场景下一般用云厂商提供的或者使用 flannel host-gw 这种更简单，而私有物理机房环境中，Calico 项目更加适合。根据自己的实际场景，再选择合适的网络方案。那么 node1 上的容器发出的 IP 包，基于本地路由表发送给 10.100.1.1 网关路由器，然后路由器收到 IP 包查看目的 IP，通过本地路由表找到下一跳地址发送到 node2，最终到达目的容器。这种方案，我们是可以基于 underlay 网络来实现，只要底层支持 BGP 网络，可以和我们 RR 节点建立 EBGP 关系来交换集群内的路由信息。

参考

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