Kubernetes基于flannel的集群网络

1、Docker网络模式

在讨论Kubernetes网络之前，让我们先来看一下Docker网络。Docker采用插件化的网络模式，默认提供bridge、host、none、overlay、maclan和Network plugins这几种网络模式，运行容器时可以通过–network参数设置具体使用那一种模式。

• bridge：这是Docker默认的网络驱动，此模式会为每一个容器分配Network Namespace和设置IP等，并将容器连接到一个虚拟网桥上。如果未指定网络驱动，这默认使用此驱动。
• host：此网络驱动直接使用宿主机的网络。
• none：此驱动不构造网络环境。采用了none 网络驱动，那么就只能使用loopback网络设备，容器只能使用127.0.0.1的本机网络。
• overlay：此网络驱动可以使多个Docker daemons连接在一起，并能够使用swarm服务之间进行通讯。也可以使用overlay网络进行swarm服务和容器之间、容器之间进行通讯，
• macvlan：此网络允许为容器指定一个MAC地址，允许容器作为网络中的物理设备，这样Docker daemon就可以通过MAC地址进行访问的路由。对于希望直接连接网络网络的遗留应用，这种网络驱动有时可能是最好的选择。
• Network plugins：可以安装和使用第三方的网络插件。可以在Docker Store或第三方供应商处获取这些插件。

在默认情况，Docker使用bridge网络模式，bridge网络驱动的示意图如下，此文以bridge模式对Docker的网络进行说明。

1.1 bridge网络的构建过程如下：

1）安装Docker时，创建一个名为docke0的虚拟网桥，虚拟网桥使用“10.0.0.0 -10.255.255.255 “、”172.16.0.0-172.31.255.255″和“192.168.0.0——192.168.255.255”这三个私有网络的地址范围。

通过 ifconfig 命令可以查看docker0网桥的信息：

通过 docker network inspect bridge 可以查看网桥的子网网络范围和网关：

2）运行容器时，在宿主机上创建虚拟网卡veth pair设备，veth pair设备是成对出现的，从而组成一个数据通道，数据从一个设备进入，就会从另一个设备出来。将veth pair设备的一端放在新创建的容器中，命名为eth0；另一端放在宿主机的docker0中，以veth为前缀的名字命名。通过 brctl show 命令查看放在docker0中的veth pair设备

1.2 外部访问

bridge的docker0是虚拟出来的网桥，因此无法被外部的网络访问。因此需要在运行容器时通过-p和-P参数对将容器的端口映射到宿主机的端口。实际上Docker是采用 NAT的 方式，将容器内部的服务监听端口与宿主机的某一个端口port 进行绑定，使得宿主机外部可以将网络报文发送至容器。

1）通过-P参数，将容器的端口映射到宿主机的随机端口：

$ docker run -P {images}

2）通过-p参数，将容器的端口映射到宿主机的制定端口：

$ docker run -p {hostPort}:{containerPort} {images}

2、Kubernetes网络模式

Kubernetes与Docker网络有些不同。Kubernetes网络需要解决下面的4个问题：

• 集群内：
  • 容器与容器之间的通信
  • Pod和Pod之间的通信
  • Pod和服务之间的通信
• 集群外：
  • 外部应用与服务之间的通信

因此，Kubernetes假设Pod之间能够进行通讯，这些Pod可能部署在不同的宿主机上。每一个Pod都拥有自己的IP地址，因此能够将Pod看作为物理主机或者虚拟机，从而能实现端口设置、命名、服务发现、负载均衡、应用配置和迁移。为了满足上述需求，则需要通过集群网络来实现。

在本文主要分析容器与容器之间，以及Pod和Pod之间的通信；Pod和服务之间，以及外部应用与服务之间的通信请参考《Kubernetes-核心资源之Service》和《Kubernetes-核心资源之Ingress》。

2.1 同一个Pod中容器之间的通信

这种场景对于Kubernetes来说没有任何问题，根据Kubernetes的架构设计。Kubernetes创建Pod时，首先会创建一个pause容器，为Pod指派一个唯一的IP地址。然后，以pause的网络命名空间为基础，创建同一个Pod内的其它容器（–net=container:xxx）。因此，同一个Pod内的所有容器就会共享同一个网络命名空间，在同一个Pod之间的容器可以直接使用localhost进行通信。

2.2 不同Pod中容器之间的通信

对于此场景，情况现对比较复杂一些，这就需要解决Pod间的通信问题。在Kubernetes通过flannel、calic等网络插件解决Pod间的通信问题。本文以flannel为例说明在Kubernetes中网络模型，flannel是kubernetes默认提供网络插件。Flannel是由CoreOs团队开发社交的网络工具，CoreOS团队采用L3 Overlay模式设计flannel， 规定宿主机下各个Pod属于同一个子网，不同宿主机下的Pod属于不同的子网。

flannel会在每一个宿主机上运行名为flanneld代理，其负责为宿主机预先分配一个子网，并为Pod分配IP地址。Flannel使用Kubernetes或etcd来存储网络配置、分配的子网和主机公共IP等信息。数据包则通过VXLAN、UDP或host-gw这些类型的后端机制进行转发。

看一下flannel在Kubernetes中运行的整体过程：

1）设置集群网络

flannel默认使用etcd作为配置和协调中心，首先使用etcd设置集群的整体网络。通过如下的命令能够查询网络配置信息：

$ etcdctl ls /coreos.com/network/config

2）设置Node节点上的子网

基于在etcd中设置的网络，flannel为每一个Node分配IP子网。

#获取子网列表

$ etcdctl ls /coreos.com/network/subnets

#获取子网信息

$ etcdctl ls /coreos.com/network/subnets/{IP网段}

3）在每个Node上启动flannelid

flannel在每个Node上启动了一个flanneld的服务，在flanneld启动后，将从etcd中读取配置信息，并请求获取子网的租约。所有Node上的flanneld都依赖etcd cluster来做集中配置服务，etcd保证了所有node上flanned所看到的配置是一致的。同时每个node上的flanned监听etcd上的数据变化，实时感知集群中node的变化。flanneld一旦获取子网租约、配置后端后，会将一些信息写入/run/flannel/subnet.env文件。

$ cat /var/run/flannel/subnet.env

4）创建虚拟网卡

在Node节点上，会创建一个名为flannel.1的虚拟网卡。

$ ip addr show flannel.1

5）创建Docker网桥

并为容器配置名为docker0的网桥，实际是通过修改Docker的启动参数–bip来实现的。通过这种方式，为每个节点的Docker0网桥设置在整个集群范围内唯一的网段，从保证创建出来的Pod的IP地址是唯一。

$ ip addr show docker0

6）修改路由表

flannel会对路由表进行修改，从而能够实现容器跨主机的通信。

$ route -n

2.3 数据传递过程

在源容器宿主机中的数据传递过程：

1）源容器向目标容器发送数据，数据首先发送给docker0网桥

在源容器内容查看路由信息：

$ kubectl exec -it -p {Podid} -c {ContainerId} -- ip route

2）docker0网桥接受到数据后，将其转交给flannel.1虚拟网卡处理

docker0收到数据包后，docker0的内核栈处理程序会读取这个数据包的目标地址，根据目标地址将数据包发送给下一个路由节点：

查看源容器所在Node的路由信息：

$ ip route

3）flannel.1接受到数据后，对数据进行封装，并发给宿主机的eth0

flannel.1收到数据后，flannelid会将数据包封装成二层以太包。

Ethernet Header的信息：

• From:{源容器flannel.1虚拟网卡的MAC地址}
• To:{目录容器flannel.1虚拟网卡的MAC地址}

4）对在flannel路由节点封装后的数据，进行再封装后，转发给目标容器Node的eth0

由于目前的数据包只是vxlan tunnel上的数据包，因此还不能在物理网络上进行传输。因此，需要将上述数据包再次进行封装，才能源容器节点传输到目标容器节点，这项工作在由linux内核来完成。

Ethernet Header的信息：

• From:{源容器Node节点网卡的MAC地址}
• To:{目录容器Node节点网卡的MAC地址}

IP Header的信息：

• From:{源容器Node节点网卡的IP地址}
• To:{目录容器Node节点网卡的IP地址}

通过此次封装，就可以通过物理网络发送数据包。

在目标容器宿主机中的数据传递过程：

5）目标容器宿主机的eth0接收到数据后，对数据包进行拆封，并转发给flannel.1虚拟网卡；

6）flannel.1 虚拟网卡接受到数据，将数据发送给docker0网桥；

7）最后，数据到达目标容器，完成容器之间的数据通信。

参考资料

1.《Cluster Networking》地址：https://kubernetes.io/docs/concepts/cluster-administration/networking/

2.《Running flannel》地址：https://github.com/coreos/flannel/blob/master/Documentation/running.md

3.《理解Kubernetes网络之Flannel网络》 作者：Tony Bai 地址：https://tonybai.com/2017/01/17/understanding-flannel-network-for-kubernetes/

作者简介：
季向远，北京神舟航天软件技术有限公司产品经理。本文版权归原作者所有。