Kubernetes Network 由浅入深

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    Kubernetes Network 由浅入深

    主要是学习深入剖析Kubernetes专栏课的笔记。

    一、单机容器网络

    名词

    • 网络栈：网络栈包括了网卡(Network Interface)、回环设备(Loopback Device)、路由表(Routing Table)和Iptables规则，对于一个进程来说，这些要素，就构成了它发起请求和响应网络请求的基本环境。
    • 网桥(Bridge)：bridge是一个虚拟网络设备，所以具有网络设备的特征，可以配置IP、MAC地址；Bridger是一个虚拟交换机，具有和物理交换机类似的功能。它是工作在数据链路层的设备。
    • Veth Pair: 虚拟网线，用来连接容器到网桥上的；它被创建出来以后，总是以两张虚拟网卡(Veth Peer)的形式成对出现，并且，从其中一个网卡发出的数据包会自动出现在与之对应的网卡上，哪怕是这两张\_*网卡\_在不同的Network Namespace中。
    • ARP: 是一个通过三层的IP地址找到对应二层MAC地址的协议。
    • CAM表：虚拟交换机(这里是网桥)通过MAC地址学习维护的端口和MAC地址的对应表。

    Host网络

    作为一个容器，在启动时可以通过指定-net=host，使用宿主机的Network Namespace。

    $ docker run -d -net=host --name nginx-1 nginx

    使用Host网络的优点是网络性能较好，直接使用宿主机的网络栈，缺点是会引入共享网络资源的问题，比如端口冲突。所以，在多数情况下，我们都希望能使用自己Network Namespace里的网络栈，拥有属于自己的IP和端口。

    如何通信

    单节点容器网络通信

    如上图，描述了单节点容器网络的通信流程，下面主要按C1->C2的访问流程来详细描述交互流程:

    # 先创建两个容器，用于模拟发起请求,启动两个centos容器，并在里面安装net-tools工具，才可以使用ifconfig命令
# 创建C1，并安装net-tools
$ docker run -d -it --name c1 centos /bin/bash
$ docker exec -it c1 bash
$ [root@60671509044e /]# yum install -y net-tools
# 创建C2，并安装net-tools
$ docker run -d -it --name c2 centos /bin/bash
$ docker exec -it c2 bash
$ [root@94a6c877b01a /]# yum install -y net-tools

    • 容器C1和C2启动之后，在容器中都有一条默认的路由规则，当前容器网段的所有请求都会走eth0网卡设备。

      • C1
    # 进入c1容器，查看ip以及路由表
$ docker exec -it c1 bash
# 查看IP
$ ifconfig
eth0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 172.17.0.7  netmask 255.255.0.0  broadcast 172.17.255.255
        ether 02:42:ac:11:00:07  txqueuelen 0  (Ethernet)
        RX packets 6698  bytes 9678058 (9.2 MiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 3518  bytes 195061 (190.4 KiB)
        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
        loop  txqueuelen 1000  (Local Loopback)
        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
# 查看路由       
$ route
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
default         _gateway        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
    • C2
    # 进入C2容器查看IP和路由表
$ docker exec -it c2 bash
$ ifconfig
eth0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 172.17.0.8  netmask 255.255.0.0  broadcast 172.17.255.255
        ether 02:42:ac:11:00:08  txqueuelen 0  (Ethernet)
        RX packets 6771  bytes 9681937 (9.2 MiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 3227  bytes 179347 (175.1 KiB)
        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
        loop  txqueuelen 1000  (Local Loopback)
        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
# 查看路由
$ route
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
default         _gateway        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

    上述容器现实有自己的IP以及MAC地址，并且每个容器中都有默认路由_gateway指向eth0网卡；并且_gateway有对应的MAC地址已经存在于本地ARP缓存中。

    • 主机之间网络通信需要用到MAC地址，这是数据链路层识别主机的方式，C1访问C2的时候会先从本地ARP缓存中查找是否有C2容器对应的IP:172.17.0.3的MAC地址。如果没有就会发起ARP协议查找MAC地址。
    # c1 -> c2 ,先发起ARP请求查找MAC地址，可以在容器中查看ARP缓存对应IP的MAC
$ docker exec -it c1 bash
# 先查看本地的ARP缓存
$ [root@94a6c877b01a /]# arp
Address                  HWtype  HWaddress           Flags Mask            Iface
_gateway                 ether   02:42:2e:8d:21:d6   C                     eth0
# 执行ping命令就会发起ARP寻址请求
$ ping 172.17.0.8
# 再查询本地arp缓存，发现已经有MAC地址存在了
$ [root@60671509044e /]# arp
Address                  HWtype  HWaddress           Flags Mask            Iface
172.17.0.8               ether   02:42:ac:11:00:08   C                     eth0
_gateway                 ether   02:42:2e:8d:21:d6   C                     eth0

    ARP寻址流程：C1容器发起ARP请求，进过本地路由协议之后会把请求路由到网桥上，此时网桥(Bridge)充当一个虚拟交换机，虚拟交换机会把ARP广播到其它插入到网桥的所有容器，C2收到ARP协议之后会回复MAC地址。

    • 查找到C2的MAC地址之后就可以发起通信。

    二、跨主机容器通信

    跨主机之间容器通信按是否依赖底层网络环境来划分主要分为Overlay和Underlay两种网络结构，Overlay网络要求只是主机之间网络可达即可，不要求主机之间同处二层域；Underlay对底层的基础设施有要求，按照实现的方式对底层的网络基础设施有不同的要求，比如Flanan host-gw组件要求主机之间同处二层域，也就是主机之间要连接到一个交换机上。
    名词
    • Overlay Network(覆盖网络): 在已有的宿主机网络之上，通过软件构建一个覆盖在宿主机网络之上的、可以把所有容器连通在一起的虚拟网络。
    • Tun设备(Tunnel设备)：在Linux中，TUN设备是一种工作在三层（Network Layer）的虚拟网络设备;Tun设备的功能就是在操作系统内核和用户应用程序之间传递IP包，
    • VXLAN: 虚拟可扩展局域网(Virtual Extensible LAN),是LINUX内核支持的一种网络虚拟化技术，VXLAN完全在内核态实现网络数据包的封装和解封装。
    • VTEP：虚拟隧道端点设备，它既有IP，也有MAC地址。
    • BGP: 边界网关协议（Border Gateway Protocol）,它是一个Linux内核原生就支持的、专门用在大规模数据中心里维护不同的自治系统之间路由信息的、无中心的路由协议。

    跨主机通信

    跨主机之间的容器通信，通过采用Overlay Network来实现跨主机之间的容器通信，Overlay Network的实现有多种方式。

    Overlay Network

    Overlay 模式

    1、三层Flannel UDP
    Flannel UDP模式是Flannel最开始提供的一种最简单且最易实现的容器跨主网络方案，但是因为性能最差，所以后来被弃用。但是对于理解Overlay的实现方式还是很有参考意义的。

    我们以一个例子来讲述这个网络访问的流程，在这个流程中，有两台宿主机，四个容器，我们需要通过Container-1容器请求Container-4。

    Container-1容器向Container-4容器发起请求，Docker0是位于Root Network Namespace的，通过veth peer一头连着容器的Network Namespace一头连着位于Root Netwrok Namespace的Docker0虚拟网络设备。

    • 容器100.96.1.2访问100.96.2.2，由于目的地址不在Docker0网桥的网段内(通过ARP请求一次就知道目标容器不在此网桥上)，所以这个IP会执行Container-1的默认路由规则中，容器中的默认路由规则就是如下的default via 172.17.0.1 dev eth0。对应到上图的步骤1。
    # 容器中默认设置的的路由规则，
[root@94a6c877b01a /]# ip route
default via 172.17.0.1 dev eth0 
172.17.0.0/16 dev eth0 proto kernel scope link src 172.17.0.2 
# 下一跳是172.17.0.1且从eth0设备上出去，通过查看docker的网络，172.17.0.1就是bridge设备的网关IP
lengrongfu@MacintoshdeMacBook-Pro ~ % docker network ls        
NETWORK ID     NAME                               DRIVER    SCOPE
e522990979b3   bridge                             bridge    local
# 查看网络
lengrongfu@MacintoshdeMacBook-Pro ~ % docker inspect network e522990979b3
[
    {
        "Name": "bridge",
        "Id": "e522990979b365e9df4d967c3600483e598e530361deb28513b6e75b8b66bedf",
        "Created": "2021-04-12T12:11:57.321486866Z",
        "Scope": "local",
        "Driver": "bridge",
        "EnableIPv6": false,
        "IPAM": {
            "Driver": "default",
            "Options": null,
            "Config": [
                {
                    "Subnet": "172.17.0.0/16",
                    "Gateway": "172.17.0.1"
                }
            ]
        },
        "Internal": false,
        "Attachable": false,
        "Ingress": false,
        "ConfigFrom": {
            "Network": ""
        },
        "ConfigOnly": false,
        "Containers": {
            "94a6c877b01ac3a1638f1c5cde87e7c58be9ce0aafd4a78efcb96528ab00ed94": {
                "Name": "c2",
                "EndpointID": "a5c12fb3800991228f8dc3a2a8de1d6f4865439701a83558e4430c2aebf783a8",
                "MacAddress": "02:42:ac:11:00:02",
                "IPv4Address": "172.17.0.2/16",
                "IPv6Address": ""
            }
        },
        "Options": {
            "com.docker.network.bridge.default_bridge": "true",
            "com.docker.network.bridge.enable_icc": "true",
            "com.docker.network.bridge.enable_ip_masquerade": "true",
            "com.docker.network.bridge.host_binding_ipv4": "0.0.0.0",
            "com.docker.network.bridge.name": "docker0",
            "com.docker.network.driver.mtu": "1500"
        },
        "Labels": {}
    }
]
    • 进入到Docker0网桥之后就按照主机上的路由取决于后续如何走。如下就是主机的路由表，访问目标IP为100.96.2.2的设备会命中第二条匹配规则，意思是访问100.96.0.0/16网段的数据去flannel0设备，并且愿IP为100.96.1.0。对应到上图的步骤2。
    # Node1路由表
$ ip route
1 Default via 10.168.0.1 dev eth0
2 100.96.0.0/16 dev flannel0 proto kernel scope link src 100.96.1.0
3 100.96.1.0/24 dev docker0 proto kernel scope link src 100.96.1.1
4 10.168.0.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 10.168.0.2
    Flannel0设备

    • 上述说了Flannel0是一个TUN虚拟三层网络设备，主要是在内核态和用户态之间传递IP包；继续按上述的流程分析，数据报文从内核态到达Flannel0设备之后，会被传递给创建Flannel0设备的进程也就是FlannelD进程，然后flanneld进程看到目的地址是100.96.2.2,就把数据报文发送到Node2节点上的flanneld进程监听的UDP端口上。flanneld会把要发送的数据封装为一个UDP数据包发出去。对应到上图的步骤3、4、5、6。

      • flanneld进程是怎么知道100.96.2.2这个ip在Node2上呢，这是因为它利用了子网，在每个节点启动的时候都会被指定一个字网段，通过字网就能确定这个ip是属于那个节点的，子网被存在etcd里面。
    • Node2上的flanneld进程收到数据包之后，会发送到flannel0设备上，这是一个从用户态到内核态的过程，所以Linux内核网络协议栈就会负责处理这个IP包，具体的处理方法，就是通过本机的路由表来寻找这个IP包的下一步流向。对应到上图的步骤7、8。
    # node2上的路由表
$ ip route
1 default via 10.168.0.1 dev eth0
2 100.96.0.0/16 dev flannel0 proto kernel scope link src 100.96.2.0
3 100.96.2.0/24 dev docker0 proto kernel scope link src 100.96.2.1
4 10.168.0.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 10.168.0.3
    • 通过解析出目标ip为100.96.2.2，他和第三条的路由规则匹配更加精确，这条路由规则的意思是把发往100.96.2.0/24网段的的数据包发送到docker0设备上去，并且设置源IP为100.96.2.1。对应到上图的步骤9。
    • 数据包进入到docker0设备之后，docker0网桥会扮演二层交换机的角色，将数据包发送给正确的veth pair对，进过此设备之后就进入到Contaniner-2的网络协议栈中。对应到上图的步骤10。

    Flannel UDP模式提供的是一个三层的Overlay网络，它首选对发出端的IP包进行UDP封装，然后在接收端进行解封装拿到原始IP包，进而把这个IP包转发给目标容器。

    Flannel UDP模式有严重的性能问题，主要问题是，由于使用了TUN设备，仅在发出IP包的过程中，就需要经过三次用户态和内核态之间的数据拷贝。

    tun

    2、三层Calico ipip
    3、二层+三层VXLAN

    VXLAN网络的设计思想是，在现有的三层网络之上，覆盖一层虚拟的、由内核VXLAN模块负责维护的二层网络，使得连接在这个VXLAN二层网络上的主机之间，可以像在同一个局域网那样自由通信。

    为了能在二层网络上打通隧道，VXLAN会在宿主机上设置一个特殊的网络设备作为隧道的两端，这个设备就叫作VTEP，全称是：(VXLAN Tun End Poin)虚拟隧道端点。

    VTEP设备的作用和flanneld进程的作用是一样的，就是做数据包的封装和解封装，只不过，它进行封装和解封装的是二层数据帧，而且这个工作流程，全都是在内核里完成的。

    Underlay 模式

    1、三层模式BGP

    BGP

    如上图是一个典型的BGP网络拓扑图，通过Route1和Route2作为边界路由网关，把其它LAN的路由信息写入到当前的路由中，就实现了不同LAN下的路由信息同步，达到三层网络全通。

    Calico BGP 使用

    ​ 在了解了BGP之后，Calico项目的架构就非常容易理解了，它把每个主机节点当做一个边界路由来看待，所以在每个节点上都保存了所有其他节点的路由信息，我们来分析一下它的实现，它由三个部分组成：

    • Calico的CNI插件，这是Caclico和Kubernetes对接的部分。
    • BIRD是BGP的客户端，专门负责在集群里面分发路由信息。
    • Felix,它是一个Demoset，负责在宿主机上插入路由规则（写入Linux内核的FIB转发信息表），以及维护Calico所需的网络设备等工作。

    ​ Calico BGP模式和Flannel host-gw模式不同，Calico没有创建任何的虚拟网桥设备，Calico的工作方式采用如下图来说明。

    calico_bgp

    ​ Calico BGP模式的网络交互图如上所示，如container1需要访问Container3，我们来分析下网络如何到达。因为没有采用cni0虚拟网桥设备，因此veth设备对的一端是在容器的Network Namespace中的，一端是在宿主机的容器网络空间的，

    • 首先Calico CNI插件还需要在每个宿主机上为每个容器的Veth Pair设备配置一条路由规则，由于接受传入的IP包，比如：
    # 192.168.0.2节点上的路由信息有
$ ip route
10.20.0.2 dev cali1 scope link
10.20.0.3 dev cali2 scope link

# 192.168.0.3节点上的路由信息有
$ ip route
10.20.1.2 dev cali3 scope link
10.20.1.3 dev cali4 scope link
    • 每个节点上还有BGP广播的其它节点路由协议，比如：
    # 192.168.0.2上有一条指向192.169.0.3的路由
$ ip route
10.20.1.0/24 via 192.168.0.3 dev eth0
# 192.168.0.3上有一条指向192.168.0.2的路由
$ ip route
10.20.0.0/24 via 192.168.0.2 dev eth0
    • 默认的Calico BGP使用的是Node to Node的模式，会导致每个节点上的连接以N^2的数独增长，一般推荐少于使用100个节点的集群中。在大规模集群中，需要用到一个叫Route Reflector的模式，所有的路由会统一上报到一个中心节点，其它节点都从中心节点进行同步。

    Calico BGP模式和Flannel host-gw模式一样，都有一个对基础网络设施的依赖，要求集群宿主机之间是二层可达的。假如宿主机之间处在不同的LAN下，就需要使用Calico ipip的Overlay模式了。

    2、二层VLAN
    3、Flannel host-gw
    Flannel host-gw模式一张图就可以讲清楚他们之间的实现原理。

    host-gw

    • CNI0设备是一个三层交换机，具有二层交换机的功能，同时具有独立IP

    flannel以Daemonset的方式在每个节点上启动一个Flanneld进程，用于维护每个节点上的路由信息，实现方式是，本地

    如：192.168.1.0/24 via 10.20.0.3 dev eth0路由定义了访问192.168.1.0/24网段的下一跳为10.20.0.3并从eth0设备出。

    然后IP包被封装成帧发送出去的时候，会使用路由表里的下一跳来设置目的MAC地址；这样，就能通过二层网络达到目的宿主机。

    因为他会使用下一跳的目的MAC地址，所以它要求宿主机之间是二层联通的，不如就没法通过使用ARP协议用IP去获取MAC地址了。

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