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浅谈kubernete中的flannel网络插件

2022-12-12 219
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简介： 浅谈kubernete中的flannel网络插件

同一台宿主机上容器间通信

跨主机容器间通信

总结

容器中的网络，无非就是2个方面，同一台宿主机上面的容器是可以联通的，不同宿主机上的容器相互间也是可以联通的。


在kubernete的发展历程中，kubernete并没有实现自己的网络规范，而是专注于编排的核心功能。一个重要的原因就是当时已经有了coreos发起的cni网络规范，而flannel模型最初已经能满足kubernete使用了。后来即使有了一些复杂的问题，calico和weave也基本解决。


CNI网络插件已经成为容器领域事实上的网络标准，它主要有2部分

1.CNI插件负责给容器配置网络

2.IPAM插件负责给容器分配IP地址，主要实现方式有host-local和dhcp


flannel通过给每台宿主机分配一个子网的方式为容器提供虚拟网络，它基于Linux TUN/VTEP，使用UDP封装IP包来创建虚拟网络，使用etcd存储网络的分配情况。


下面再回顾一下我们上篇kubernete部署springboot的系统结构，见下图

微信图片_20221212113257.png

主从节点部署在2个虚机vmware1和vmware2上面作为宿主机，主节点ip是192.168.59.132，从节点ip是192.168.59.138，springboot应用启动后，pod状态如下：

[root@master manifests]# kubectl get pod -l app -o wide
NAME                                             READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP           NODE      NOMINATED NODE   READINESS GATES
springboot-mybatis-deployment-5b78f66997-6kl96   1/1     Running   0          6m15s   10.244.1.5   worker1   <none>           <none>
springboot-mybatis-deployment-5b78f66997-9hdl8   1/1     Running   0

同一台宿主机上容器间通信


pod创建后，会在宿主机上创建一个网桥，我们在宿主机192.168.59.138上执行ifconfig命令，可以看到cni0的网桥，连接到这个网桥上的设备，都可以通过cni0来进行通信。也可以看到veth0f38c044、vetha234d8db这2个网卡。

输出如下：

[root@worker1 kubernetes]# ifconfig
cni0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1450
        inet 10.244.1.1  netmask 255.255.255.0  broadcast 0.0.0.0
        inet6 fe80::6483:ff:fedb:8c82  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 66:83:00:db:8c:82  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 34  bytes 2136 (2.0 KiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 25  bytes 3837 (3.7 KiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
docker0: flags=4099<UP,BROADCAST,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 172.17.0.1  netmask 255.255.0.0  broadcast 0.0.0.0
        ether 02:42:1d:56:39:7d  txqueuelen 0  (Ethernet)
        RX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
ens33: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 192.168.59.138  netmask 255.255.255.0  broadcast 192.168.59.255
        inet6 fe80::3cfd:163:46da:952  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 00:0c:29:9f:fe:5c  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 20796  bytes 6814956 (6.4 MiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 14580  bytes 1441166 (1.3 MiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
flannel.1: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1450
        inet 10.244.1.0  netmask 255.255.255.255  broadcast 0.0.0.0
        inet6 fe80::f4d6:9dff:fe6d:21c6  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether f6:d6:9d:6d:21:c6  txqueuelen 0  (Ethernet)
        RX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        TX errors 0  dropped 25 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 622  bytes 38464 (37.5 KiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 622  bytes 38464 (37.5 KiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
veth0f38c044: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1450
        inet6 fe80::2497:75ff:fe91:8d82  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 26:97:75:91:8d:82  txqueuelen 0  (Ethernet)
        RX packets 9  bytes 698 (698.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 25  bytes 1962 (1.9 KiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
vetha234d8db: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1450
        inet6 fe80::e46f:9aff:fe68:9d6c  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether e6:6f:9a:68:9d:6c  txqueuelen 0  (Ethernet)
        RX packets 9  bytes 698 (698.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 23  bytes 1830 (1.7 KiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
virbr0: flags=4099<UP,BROADCAST,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 192.168.122.1  netmask 255.255.255.0  broadcast 192.168.122.255
        ether 52:54:00:c8:c6:2b  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

执行brctl show命令可以看到，veth0f38c044、vetha234d8db这2个网卡被插在了cni0网桥上

[root@worker1 kubernetes]# brctl show
bridge name     bridge id               STP enabled     interfaces
cni0            8000.668300db8c82       no              veth0f38c044
                                                        vetha234d8db
docker0         8000.02421d56397d       no
virbr0          8000.525400c8c62b       yes             virbr0-nic

而我们进入pod后查看网络，可以看到这2个pod都分别有一个eth0网卡，这个网卡正是和上面的veth0f38c044、vetha234d8db这2个网卡配对的网卡。


进入第一个pod

 kubectl exec -it springboot-mybatis-deployment-5b78f66997-6kl96 -- /bin/sh
 / # ifconfig
eth0      Link encap:Ethernet  HWaddr 22:85:63:4A:FB:92  
          inet addr:10.244.1.5  Bcast:0.0.0.0  Mask:255.255.255.0
          inet6 addr: fe80::2085:63ff:fe4a:fb92/64 Scope:Link
          UP BROADCAST RUNNING MULTICAST  MTU:1450  Metric:1
          RX packets:23 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:9 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:0 
          RX bytes:1830 (1.7 KiB)  TX bytes:698 (698.0 B)
lo        Link encap:Local Loopback  
          inet addr:127.0.0.1  Mask:255.0.0.0
          inet6 addr: ::1/128 Scope:Host
          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)

进入第二个pod

kubectl exec -it springboot-mybatis-deployment-5b78f66997-9hdl8 -- /bin/sh
/ # ifconfig
eth0      Link encap:Ethernet  HWaddr 92:23:79:4B:57:08  
          inet addr:10.244.1.4  Bcast:0.0.0.0  Mask:255.255.255.0
          inet6 addr: fe80::9023:79ff:fe4b:5708/64 Scope:Link
          UP BROADCAST RUNNING MULTICAST  MTU:1450  Metric:1
          RX packets:25 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:9 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:0 
          RX bytes:1962 (1.9 KiB)  TX bytes:698 (698.0 B)
lo        Link encap:Local Loopback  
          inet addr:127.0.0.1  Mask:255.0.0.0
          inet6 addr: ::1/128 Scope:Host
          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)

这2对虚拟网卡叫做veth pair设备，它总是成对出现，并且一个网卡上的数据会同时到达第二个网卡。而且这2对网卡一端都连接到cni0网桥，另一端分别在2个springboot的容器中，所以在2个容器中ping对方可以ping通。


注：在linux操作系统上，网桥是工作在数据链路层，网络包在数据链路层通过mac地址来进行数据发送。所以在10.244.1.4地址ping10.244.1.5时，10.244.1.4发出一个网络包，这个网络包通过veth0f38c044网卡到达cni0，cni0通过ARP广播找到对应10.244.1.5网卡的mac地址发送给它，数据到达vetha234d8db网卡后也就出现在了10.244.1.5的eth0网卡上，最终实现数据包接收。

数据包的返回跟这个过程完全一样。整个流程总结如下：

微信图片_20221212113459.png

跨主机容器间通信


我们看一下宿主机192.168.59.132的网络信息

[root@master k8s]# ifconfig
cni0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1450
        inet 10.244.0.1  netmask 255.255.255.0  broadcast 0.0.0.0
        inet6 fe80::144f:37ff:fe05:b44c  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 16:4f:37:05:b4:4c  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 125  bytes 12199 (11.9 KiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 132  bytes 41052 (40.0 KiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
docker0: flags=4099<UP,BROADCAST,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 172.17.0.1  netmask 255.255.0.0  broadcast 0.0.0.0
        ether 02:42:7c:31:8d:23  txqueuelen 0  (Ethernet)
        RX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
ens33: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 192.168.59.132  netmask 255.255.255.0  broadcast 192.168.59.255
        inet6 fe80::59a7:26b1:56a7:4b00  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 00:0c:29:69:d6:60  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 2199  bytes 237016 (231.4 KiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 1741  bytes 684756 (668.7 KiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
flannel.1: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1450
        inet 10.244.0.0  netmask 255.255.255.255  broadcast 0.0.0.0
        inet6 fe80::c43c:eaff:fe58:99c9  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether c6:3c:ea:58:99:c9  txqueuelen 0  (Ethernet)
        RX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        TX errors 0  dropped 26 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 91824  bytes 22983724 (21.9 MiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 91824  bytes 22983724 (21.9 MiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
veth7de5bd16: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1450
        inet6 fe80::48e3:d9ff:feba:665e  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 4a:e3:d9:ba:66:5e  txqueuelen 0  (Ethernet)
        RX packets 65  bytes 7141 (6.9 KiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 80  bytes 20845 (20.3 KiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
vethc1c4c291: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1450
        inet6 fe80::78f2:cfff:fea7:9cdf  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 7a:f2:cf:a7:9c:df  txqueuelen 0  (Ethernet)
        RX packets 62  bytes 6988 (6.8 KiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 103  bytes 24534 (23.9 KiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
virbr0: flags=4099<UP,BROADCAST,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 192.168.122.1  netmask 255.255.255.0  broadcast 192.168.122.255
        ether 52:54:00:42:d3:29  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

之前搭建的集群中，2个springboot的pod都被调度到了192.168.59.138上。这时我们如果在主节点上创建一个pod，部署应用后pod的ip地址是10.244.0.2。这时如果我们想让容器ip10.244.1.4访问10.244.0.2，因为目的地址10.244.0.2并不在宿主机192.168.59.138上的cni0网桥网段内，所以是不可能像同一台宿主机那样可以通过cni0网桥直接通信的。

这就需要选择新的路由规则。我们看一下192.168.59.138的路由规则如下：

[root@worker1 ~]# ip route
default via 192.168.59.2 dev ens33 proto dhcp metric 100 
10.244.0.0/24 via 10.244.0.0 dev flannel.1 onlink 
10.244.1.0/24 dev cni0 proto kernel scope link src 10.244.1.1 
172.17.0.0/16 dev docker0 proto kernel scope link src 172.17.0.1 
192.168.59.0/24 dev ens33 proto kernel scope link src 192.168.59.139 metric 100 
192.168.122.0/24 dev virbr0 proto kernel scope link src 192.168.122.1

这种情况下该宿主机上的的数据包要发出去，就需要匹配第二条规则，走flannel.1这个设备，这个设备其实是一个工作在网络层第三层的TUN设备，他本质上是一个宿主机上的flanneld进程，它的功能是在用户态和内核态之间传送IP网络包。

之前我们提到过，flannel方案的思想是为每一台宿主机创建一个子网，有了这个子网，TUN设备就可以找到下一跳的网络地址，比如本文中集群的2个子网地址分别是10.244.1.0/24和10.244.0.0/24。这样宿主机上容器10.244.1.4的网络包要发送到宿主机容器10.244.0.2上，就可以通过宿主机上的flanneld进程创建的子网找到对应的宿主机。


我们再来看宿主机192.168.59.132的路由规则

[root@master k8s]# ip route
default via 192.168.59.2 dev ens33 proto dhcp metric 100 
10.244.0.0/24 dev cni0 proto kernel scope link src 10.244.0.1 
10.244.1.0/24 via 10.244.1.0 dev flannel.1 onlink 
172.17.0.0/16 dev docker0 proto kernel scope link src 172.17.0.1 
192.168.59.0/24 dev ens33 proto kernel scope link src 192.168.59.132 metric 100 
192.168.122.0/24 dev virbr0 proto kernel scope link src 192.168.122.1

10.244.1.4到达宿主机192.168.59.132后，会根据上面的第2条路由规则，找到宿主机上的cni0网桥设备，这样就跟上一节的同一台宿主机的容器间通信一样，可以找到对应的容器地址了。


上面的过程数据包从目的容器所在宿主机发出前flanneld应用会进行一次UDP封包，而到达目的容器宿主机进入flanneld应用会进行数据包的解封装。这样的问题是数据拷贝次数太多，包括从docker应用到cni0网桥，从cni网桥到flanneld应用，从flanneld应用到宿主机的ens33网卡。


为了解决这个问题，flannel引入了VXLAN模式，上面的数据包封装和解封装都在内核态完成，它的解决方案是在上面的3层网络基础上构建出二层网络，它的做法是引入一个VTEP设备，回去再看我们的2台宿主机的网络，上面的flannel.1就成为一个VTEP设备，既有ip地址又有mac地址，它可以对二层数据包进行封装和解封装，减去了数据在内核态和用户态直接的拷贝。整个通信过程如下：

微信图片_20221212113638.png

最后，flannel网络插件是怎么给容器分配网络呢？在上篇介绍的如何在kubernete集群上部署springboot应用，使用命令kubectl apply -f springboot-mybatis.yaml创建pod时，第一个pod里面创建的容器是一个infra容器，这个容器的作用其实就是要控制network-namespace，这个容器创建完成后，kubernete就会调用cni网络插件为这个容器配置网络，而pod里面的其他容器则会跟infra容器共享network-namespace。


总结


kubernete选择cni网络插件进行管理，有一定历史原因，但是集成了cni，对于网络的配置非常方便，自身可以专注于编排，由于个人能力有限，只能讲到这里了，里面的不正确的地方，请大佬们批评指正。


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容器应用与集群管理
欢迎来到《容器应用与集群管理》课程，本课程是“云原生容器Clouder认证“系列中的第二阶段。课程将向您介绍与容器集群相关的概念和技术，这些概念和技术可以帮助您了解阿里云容器服务ACK/ACK Serverless的使用。同时，本课程也会向您介绍可以采取的工具、方法和可操作步骤，以帮助您了解如何基于容器服务ACK Serverless构建和管理企业级应用。 学习完本课程后，您将能够： 掌握容器集群、容器编排的基本概念 掌握Kubernetes的基础概念及核心思想 掌握阿里云容器服务ACK/ACK Serverless概念及使用方法 基于容器服务ACK Serverless搭建和管理企业级网站应用
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