【kubernetes系列】flannel之vxlan模式原理

概述

在Kubernetes中要保证容器之间网络互通，网络至关重要。而Kubernetes本身并没有自己实现容器网络，而是而是借助CNI标准，通过插件化的方式自由接入进来。在容器网络接入进来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。

kubernetes中的网络通信

kubernetes中的网络通信大致分为以下几种：

Pod内容器间的通信（lo）
Pod之间的通信 pod IP <—–> pod IP（flannel、calico）
Pod与Service之间的通信 podIP <—–> ClusterIP（iptables、ipvs）
Service与集群外部的通信 ClusterIP <—–> 集群外部

常见的CNI插件：

flannel
calico
canel

Flannel

Flannel是CoreOS开源的，Overlay模式的CNI网络插件，Flannel在每个集群节点上运行一个flanneld的代理守护服务，为每个集群节点（host）分配一个子网（subnet），同时为节点上的容器组（pod）分配IP，在整个集群节点间构建一个虚拟的网络，实现集群内部跨节点通信。Flannel的数据包在集群节点间转发是由backend实现的，目前，已经支持核心官方推荐的模式有UDP、VXLAN、HOST-GW，以及扩展试用实验的模式有IPIP，AWS VPC、GCE、Ali VPC、Tencent VPC等路由，其中vxlan模式在实际的生产中使用最多，下面以vxlan模式为例。
在这里插入图片描述

从图里看每个宿主机都有一个flannel1（flannel.1）的设备，就是VXLAN所需的VTEP设备（flannel1“用于VXLAN报文的封装和解封装”），它既有IP地址也有MAC地址。如现在container1 访问 container2，当container1发出请求后，这个目的的地址是10.244.1.3的IP包，会先出现在cni0网桥，然后被路由到本机flanner1设备上处理，也就是说，来到了“隧道”的出口。既目的宿主机的VTEP设备（就是flannel1 设备）。
margu
当所有Node启动后，我们可以在k8s-m2上可以看到多个flannel1 网卡的路由信息，是因为flanneld启动后创建的。

[root@k8s-m2 ~]# ifconfig  flannel.1
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
        ether 96:69:e2:7d:bd:32  txqueuelen 0  (Ethernet)
        RX packets 10177  bytes 977133 (954.2 KiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 10177  bytes 1787417 (1.7 MiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

[root@k8s-m2 ~]# route -n
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
0.0.0.0         192.168.2.254   0.0.0.0         UG    0      0        0 ens32
10.244.0.0      0.0.0.0         255.255.255.0   U     0      0        0 cni0
10.244.1.0      10.244.1.0      255.255.255.0   UG    0      0        0 flannel.1
10.244.2.0      10.244.2.0      255.255.255.0   UG    0      0        0 flannel.1
169.254.0.0     0.0.0.0         255.255.0.0     U     1002   0        0 ens32
172.17.0.0      0.0.0.0         255.255.0.0     U     0      0        0 docker0
192.168.2.0     0.0.0.0         255.255.255.0   U     0      0        0 ens32

从上图看到10.244.1.0就是k8s-m3的VTEP设备（flannel1）的IP地址，而这些VTEP设备之间通讯就需要想办法组成一个虚拟的二层网络，既：通过二层数据帧进行通信，而k8s-m2上的VTEP设备在收到原始报文后，就要想办法把原始报文加一个目的MAC地址，封装成二层数据帧，然后发送给目的VTEP设备。这里需要解决一个问题目的VTEP设备的MAC地址是什么？

根据路由表信息我们知道了目的VTEP设备的IP地址，而根据三层IP地址查询二层MAC地址正是ARP表的功能。而这里用ARP表的记录，也就是flanneld进程在Node2节点启动时，自动添加到Node1上的。如下：

$ ip neigh show dev flannel.1
10.244.1.0 lladdr e6:05:f1:5f:d7:13 PERMANENT
10.244.2.0 lladdr 46:1b:96:8c:b0:cf PERMANENT

有了这个MAC地址linux内核就可以开始二层封装了，上面提到的MAC地址，对宿主机的二层网络没有任何意义，所以上述封装的数据帧不能在宿主机的二层网络里传输，为了方便概述，我们把上述数据帧称为内部数据帧。所以Linux内核还要把内部数据帧进一步封装成宿主机网络的一个普通数据帧，好让它载着内部数据帧，通过外网网卡（如eth0 、ens33等）进行传输。这次封装我们称为外部数据帧，为了实现这个搭便车的机制，Linux内核在封装内部数据帧前面，加上特殊的VXLAN头，用来表示这个乘客实际上是VXLAN使用的数据帧。而这个VXLAN头里有一个重要的标志VNI，它是识别某个数据帧是不是应该归属自己处理的标志。而flannel中，VNI的值是1，这也是为什么宿主机的VTEP设备都叫做flannel1的原因。这个时候linux内核会把这数据帧封装一个UDP报文在转发出去。虽然k8s-m2的flannel1知道k8s-m3的flannel1的MAC地址，但是不知道k8s-m3对外网卡的MAC的地址，也就是UDP该发往那台主机，实际上flannel1还要扮演一个网桥的角色，在二层网络进行UDP转发，而在Linux内核里面，网桥设备进行转发的依据来自FDB的转发数据库。这个flannel网桥对应的FDB信息，就是flannel进程维护的，他的内容如下：

$  bridge fdb show flannel.1|grep  46:1b:96:8c:b0:cf
46:1b:96:8c:b0:cf dev flannel.1 dst 192.168.2.140 self permanent

我们可以看到发往的IP地址是192.168.2.142的主机，显然这台主机就是 k8s-m3，UDP要转发的目的也找到了。接下来就是宿主机网络封包的过程了。
在这里插入图片描述

下面让我们来看看，当有一个EventAdded到来时，flanneld如何进行配置，以及封包是如何在flannel网络中流动的。
在这里插入图片描述

借用上图所示，当主机B启动了一个flanneld的服务后，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。它会将自己的subnet 10.1.16.0/24和Public IP 192.168.0.101写入etcd中，它还会将vtep设备flannel.1的mac地址也写入etcd中。

之后，主机A会得到EventAdded事件，并从中获取主机B添加至etcd的各种信息。这个时候，它会在本机上添加三条信息：

路由信息：所有通往目的地址10.1.16.0/24的封包都通过vtep设备flannel.1设备发出，发往的网关地址为10.1.16.0，即主机B中的flannel.1设备。

$ ip route list
...
10.1.16.0/24 via 10.1.16.0 dev flannel.1 onlink
...

fdb信息：MAC地址为flannel的mac地址，发往10.1.16.0的数据包都将通过vxlan首先发往目的地址192.168.0.101，即主机B

$ ip neigh show dev flannel.1
10.1.16.0 lladdr 46:1b:96:8c:b0:cf PERMANENT

$  bridge fdb show flannel.1  | grep46:1b:96:8c:b0:cf
46:1b:96:8c:b0:cf dev flannel.1 dst 192.168.0.101 self permanent

arp信息：网关地址10.1.16.0的MAC地址为flannel的mac地址

[root@k8s-m2 ~]# arp -v
Address                  HWtype  HWaddress           Flags Mask            Iface
....
10.1.16.0               ether   46:1b:96:8c:b0:cf   CM                    flannel.1
....

参数说明：

Network flannel使用CIDR格式（10.244.0.0/16）的网络地址，用于为pod的配置网络功能
SubnetLen表示每个主机分配的subnet大小，我们可以在初始化时对其指定，否则使用默认配置。在默认配置的情况下SubnetLen配置为24（表示24位子网掩码）。
SubnetMin是集群网络地址空间中最小的可分配的subnet，可以手动指定，否则默认配置为集群网络地址空间中第一个可分配的subnet。例如对于”10.244.0.0/16″，当SubnetLen为24时，第一个可分配的subnet为”10.244.1.0/24″
SubnetMax表示最大可分配的subnet，对于”10.244.0.0/16″，当subnetLen为24时，SubnetMax为”10.244.255.0/24″
Backend.Type 为flannel指定使用的backend的类型，类型分三种：vxlan、host-gw、udp，如未指定，则默认为“vxlan”
–ip-masq=true 为网桥上的IP地址开启IP伪装(代表需要为其配置SNAT)
注意：Backend为vxlan时，其中会存储vtep设备的mac地址至etcd中

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