k8s容器互聯(lián)-flannel vxlan 原理篇

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vxlan 模式通信原理

flannel 在為不同主機(jī)的pod分配ip地址的時(shí)候，會(huì)在一個(gè)大的網(wǎng)段范圍內(nèi)分配ip地址，而同一臺(tái)主機(jī)上的pod，則是在大的網(wǎng)段下延伸出一個(gè)較小的子網(wǎng)，同一臺(tái)主機(jī)上的ip地址則是在較小的子網(wǎng)范圍內(nèi)去進(jìn)行分配。

例如k8s啟動(dòng)flannel插件時(shí)，會(huì)通過flannel的配置文件指定大的網(wǎng)段的范圍和flannel啟動(dòng)方式，我們選用的是vxlan模式

  net-conf.json: |
    {
      "Network": "10.10.0.0/16",
      "Backend": {
        "Type": "vxlan"
      }
    }

這樣整個(gè)集群的ip地址就是在10.10.0.0/16 網(wǎng)段去進(jìn)行分配。 而各個(gè)主機(jī)上的ip地址范圍 則是在例如10.10.1.0/24 ，10.10.2.0/24這樣的網(wǎng)段去進(jìn)行分配。

跨主機(jī)通信的目的，就是讓主機(jī)A上的網(wǎng)段10.10.1.0/24 內(nèi)分配的ip能夠ping通主機(jī)B上的 10.10.2.0/24 網(wǎng)段分配的ip。

flannel的xvlan模式是如何辦到的呢？

為了更好的理解vxlan的模式，我搭建了一個(gè)真實(shí)的3節(jié)點(diǎn)集群環(huán)境，然后實(shí)際的去主機(jī)上分析vxlan工作模式

集群網(wǎng)絡(luò)模型

集群有3個(gè)節(jié)點(diǎn):

master 集群的控制節(jié)點(diǎn)，ip地址是 192.168.2.17;

worker1 工作節(jié)點(diǎn) ip地址是 192.168.2.16;

worker2 工作節(jié)點(diǎn) ip 地址是 192.168.2.15 ;

由于工作節(jié)點(diǎn)才承擔(dān)具體的pod承載認(rèn)為，所以我們只看工作節(jié)點(diǎn)即可。

這里先放一張集群網(wǎng)絡(luò)模型的圖，接下來的分析都將會(huì)根據(jù)這個(gè)圖一步步分析網(wǎng)絡(luò)包時(shí)如何從worker2 的pod到達(dá)到worker1的pod的。

查看worker2網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型

查看網(wǎng)絡(luò)接口有哪些

parallels@worker2:~/Desktop$ ifconfig
cni0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1450
        inet 10.10.2.1  netmask 255.255.255.0  broadcast 10.10.2.255
       ...
docker0: flags=4099<UP,BROADCAST,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 172.17.0.1  netmask 255.255.0.0  broadcast 172.17.255.255
        ether 02:42:41:ce:a9:49  txqueuelen 0  (Ethernet)
        ...
enp0s5: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 192.168.2.15  netmask 255.255.255.0  broadcast 192.168.2.255
        ...
flannel.1: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1450
        inet 10.10.2.0  netmask 255.255.255.255  broadcast 0.0.0.0
        inet6 fe80::647c:5aff:fe24:c42e  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 66:7c:5a:24:c4:2e  txqueuelen 0  (Ethernet)
        ...
lo: flags=73<UP,LOOPBACK,RUNNING>  mtu 65536
        inet 127.0.0.1  netmask 255.0.0.0
        ...
veth9c0a9a53: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1450
        inet6 fe80::fc7d:fdff:fe6f:a32e  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether fe:7d:fd:6f:a3:2e  txqueuelen 0  (Ethernet)
        ...
vethd6f08999: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1450
        inet6 fe80::68b2:41ff:fee2:9074  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 6a:b2:41:e2:90:74  txqueuelen 0  (Ethernet)
        ...

k8s 在主上創(chuàng)建一個(gè)cni0和flannel.1的虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，cni0是網(wǎng)橋類型的設(shè)備，flannel.1是vxlan類型的設(shè)備 (準(zhǔn)確的說是vtep設(shè)備，在vxlan模式下，我們將這個(gè)封包解包的設(shè)備叫做vtep設(shè)備VXLAN Tunnel Endpoints)。

記下這里worker2節(jié)點(diǎn)上cni0的ip地址10.10.2.1 ，flannel.1的ip地址 10.10.2.0

parallels@worker2:~/Desktop$ ethtool -i flannel.1
driver: vxlan
...
parallels@worker2:~/Desktop$ ethtool -i cni0
driver: bridge
...

先看下網(wǎng)橋的作用(vxlan設(shè)備作用稍后進(jìn)行分析) 網(wǎng)橋擁有交換機(jī)的作用。

我們知道，在同一臺(tái)主機(jī)上，不同pod的網(wǎng)絡(luò)命名空間是不同的，在linux上有一種veth的虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它是成對(duì)出現(xiàn)的，所以也被叫做veth pair，可以連接不同命名空間。

從veth一端發(fā)出去的包能夠被另外一端接收到，通過veth pair能夠連通兩個(gè)命名空間。

但是如果一臺(tái)主機(jī)上，有許多pod，要想讓那么多pod都連通的話，就得兩兩建立veth pair設(shè)備，這樣的排列組合數(shù)量隨著pod的增加會(huì)變得相當(dāng)大。

而網(wǎng)橋的出現(xiàn)能夠讓這個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型變成 veth pair的一端連通著pod的網(wǎng)絡(luò)命名空間，一端是連接在網(wǎng)橋上，讓網(wǎng)橋充當(dāng)交換機(jī)的作用，同一臺(tái)主機(jī)的不同pod的數(shù)據(jù)包都經(jīng)過網(wǎng)橋去進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

交換機(jī)是工作在網(wǎng)絡(luò)的第二層，所以只會(huì)將數(shù)據(jù)包解析到數(shù)據(jù)幀的格式，只認(rèn)mac地址，如果是廣播幀，轉(zhuǎn)發(fā)給所有接入網(wǎng)橋的設(shè)備，如果是單播幀，那么就會(huì)發(fā)往特定的端口。

但是網(wǎng)橋作為交換機(jī)與之不同的一點(diǎn)是，網(wǎng)橋具有將轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到主機(jī)的三層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的功能，如果發(fā)往網(wǎng)橋的數(shù)據(jù)包的mac地址就是網(wǎng)橋自身mac地址的話，那么網(wǎng)橋就會(huì)認(rèn)為數(shù)據(jù)包是要發(fā)往數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包，然后去對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

查看集群pod 信息

再結(jié)合 pod 看看pod內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包是如何輸出到網(wǎng)橋上的。我在集群內(nèi)部啟動(dòng)了一個(gè)3副本的busybox鏡像的 pod。

來看看pod分布的工作節(jié)點(diǎn)以及其ip地址

(base) ?  ~ kubectl get pods -o wide
NAME                       READY   STATUS    RESTARTS        AGE     IP          NODE      NOMINATED NODE   READINESS GATES
busybox-8647b8666c-74nmg   1/1     Running   0               3h19m   10.10.1.3   worker1   <none>           <none>
busybox-8647b8666c-bwgh9   1/1     Running   1 (4h29m ago)   12d     10.10.2.4   worker2   <none>           <none>
busybox-8647b8666c-qwzrh   1/1     Running   1 (4h29m ago)   4h57m   10.10.2.5   worker2   <none>           <none>

我們的目的就是讓worker2節(jié)點(diǎn)上ip為10.10.2.4 的pod能ping通 worker1節(jié)點(diǎn)上ip為10.10.1.3的pod

進(jìn)入worker2節(jié)點(diǎn)上 ip為10.10.2.4 的pod內(nèi)部看看路由信息。

/ # route -n
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
0.0.0.0         10.10.2.1       0.0.0.0         UG    0      0        0 eth0
10.10.0.0       10.10.2.1       255.255.0.0     UG    0      0        0 eth0
10.10.2.0       0.0.0.0         255.255.255.0   U     0      0        0 eth0

還記得剛剛說的worker2節(jié)點(diǎn)上的cni0網(wǎng)橋的ip是10.10.2.1 嗎？

通過路由信息，可以看到10.10.2.1正是pod的網(wǎng)關(guān)，所以如果在pod內(nèi)部 ping worker1上的pod ip 10.10.1.3 ，就會(huì)匹配上第二條路由信息。

那么worker2 的pod發(fā)出去的數(shù)據(jù)包就指定到達(dá)10.10.2.1這個(gè)ip上，所以mac地址就是10.10.2.1對(duì)應(yīng)的mac地址，即cni0的mac地址。

正是由于這個(gè)原因，觸發(fā)了cni0網(wǎng)橋的轉(zhuǎn)發(fā)到主機(jī)上的三層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的這個(gè)機(jī)制，而到達(dá)worker2主機(jī)后，通過ip要看具體轉(zhuǎn)發(fā)到哪張網(wǎng)卡是看主機(jī)的路由信息的，所以，先看下worker2的路由信息。

parallels@worker2:~/Desktop$ route -n
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
0.0.0.0         192.168.2.1     0.0.0.0         UG    100    0        0 enp0s5
10.10.0.0       10.10.0.0       255.255.255.0   UG    0      0        0 flannel.1
10.10.1.0       10.10.1.0       255.255.255.0   UG    0      0        0 flannel.1
10.10.2.0       0.0.0.0         255.255.255.0   U     0      0        0 cni0
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     100    0        0 enp0s5
192.168.2.1     0.0.0.0         255.255.255.255 UH    100    0        0 enp0s5

我們數(shù)據(jù)包目的地是worker1上的pod ，ip是10.10.1.3 ，通過路由信息，看到屬于10.10.1.0/24這個(gè)網(wǎng)段的數(shù)據(jù)包都會(huì)經(jīng)過 flannel.1發(fā)出，網(wǎng)關(guān)是10.10.1.0 ，這個(gè)ip也就是對(duì)端vtep設(shè)備的ip地址。

數(shù)據(jù)包就這樣從worker2的pod來到了worker2節(jié)點(diǎn)上的flannel.1 這個(gè)網(wǎng)卡上。

flannel.1會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行一些加工，加工時(shí)需要加上對(duì)端vtep的mac地址，由于flannel.1 通過路由信息已經(jīng)知道對(duì)端vtep的ip地址，通過查詢本地arp緩存表，得到目的vtep的mac地址。

parallels@worker2:~/Desktop$ ip neigh show dev flannel.1
10.10.1.0 lladdr 72:5a:79:44:22:7b PERMANENT
10.10.0.0 lladdr 62:03:91:cb:cc:36 PERMANENT

k8s是通過flanneld（在flannel插件工作模式下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都有一個(gè)flanneld的后臺(tái)進(jìn)程，對(duì)節(jié)點(diǎn)上的一些網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行配置）在worker2的arp緩存中寫入了mac地址，且永不過期。

同時(shí)還會(huì)加上vxlan頭部信息，在頭部信息中表明了這是一個(gè)vxlan幀，這樣worker1節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包時(shí)，知道這是一個(gè)vxlan幀后，會(huì)將這個(gè)包去進(jìn)行解包操作，同時(shí)頭部信息中也包含一個(gè)vni的信息，只有vni相同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備才有解包的資格。

這樣封裝以后，還需要將這個(gè)包發(fā)往對(duì)端vtep所在的主機(jī)節(jié)點(diǎn)，怎么發(fā)送呢？

worker2的flannel.1用udp格式的數(shù)據(jù)包再包裹一下vxlan幀，封裝成udp時(shí)，需要知道對(duì)端的ip地址。

這里封裝成udp包的時(shí)候，是如何知道目的節(jié)點(diǎn)主機(jī)的ip的呢。 flannel.1 通過查詢本機(jī)的一個(gè)叫做fdb的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)庫獲取目的節(jié)點(diǎn)主機(jī)的ip。

parallels@worker2:~/Desktop$ bridge fdb show flannel.1 | grep 72:5a:79:44:22:7b
72:5a:79:44:22:7b dev flannel.1 dst 192.168.2.16 self permanent

注意這些配置信息是在woker1節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后，就會(huì)在worker2節(jié)點(diǎn)自動(dòng)加上的，而完成配置信息的動(dòng)作是由各個(gè)主機(jī)上的flanneld進(jìn)程完成的

知道了udp的目的ip后，就是一個(gè)正常數(shù)據(jù)包在宿主機(jī)上的封包，發(fā)送流程了。

這樣，數(shù)據(jù)包就到達(dá)了worker1。

worker1節(jié)點(diǎn)的接收過程

worker1 的內(nèi)核協(xié)議棧收到數(shù)據(jù)包以后，發(fā)現(xiàn)有vxlan header以及vni標(biāo)記是1，就將這個(gè)vxlan包發(fā)給本機(jī)的vni標(biāo)記也為1的flannel.1設(shè)備。

然后flannel.1進(jìn)行解包，取出數(shù)據(jù)包的目的ip是10.10.1.3，然后查看worer1本機(jī)路由信息。

arallels@worker1:~/Desktop$ route -n
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
0.0.0.0         192.168.2.1     0.0.0.0         UG    100    0        0 enp0s5
10.10.0.0       10.10.0.0       255.255.255.0   UG    0      0        0 flannel.1
10.10.1.0       0.0.0.0         255.255.255.0   U     0      0        0 cni0
10.10.2.0       10.10.2.0       255.255.255.0   UG    0      0        0 flannel.1
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     100    0        0 enp0s5
192.168.2.1     0.0.0.0         255.255.255.255 UH    100    0        0 enp0s5
parallels@worker1:~/Desktop$ 

發(fā)現(xiàn)發(fā)往10.10.1.0/24這個(gè)網(wǎng)段的包要經(jīng)過cni0網(wǎng)橋，所以flannel.1將解包后的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給了cni0網(wǎng)橋。

接下來就是cni0網(wǎng)橋在一個(gè)10.10.1.0/24 子網(wǎng)內(nèi)發(fā)送目的ip為 10.10.1.3 的流程了。

cni0網(wǎng)橋先通過10.10.1.3查找本地mac地址，如果有則發(fā)往mac地址對(duì)應(yīng)的端口，端口連通的另一端是veth設(shè)備也是worker1上的pod的網(wǎng)卡。

如果沒有10.10.1.3的mac地址，則先通過arp協(xié)議，在一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)獲得arp響應(yīng)包后，再發(fā)送數(shù)據(jù)包到對(duì)應(yīng)端口連通的pod veth網(wǎng)卡上。

至此，worker1成功收到了worker2發(fā)送的數(shù)據(jù)包了。

再看flannel xvlan模式

本質(zhì)上是通過flannel.1這個(gè)vxlan設(shè)備對(duì)主機(jī)發(fā)出去的數(shù)據(jù)包進(jìn)行udp封裝，然后發(fā)往經(jīng)過物理網(wǎng)卡發(fā)往對(duì)端。

再進(jìn)一步思考下，udp是可以丟包的，那么經(jīng)過udp去封裝數(shù)據(jù)包 的網(wǎng)絡(luò)傳輸是可靠的嗎？

答案是不需要可靠，整個(gè)flannel的轉(zhuǎn)發(fā)模型，可以看出flannel完成的是網(wǎng)絡(luò)模型的第三層次ip層的互通， 這里udp封裝的ip包實(shí)際上是充當(dāng)了第二層鏈路層的工作了，傳輸?shù)目煽啃允强總鬏攲訉?shí)現(xiàn)的，傳輸層的靠是在對(duì)應(yīng)pod所在命名空間中的tcp 的重傳保證的。

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