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Kubenetes(3)--网络通信(2)--flannel和calico_如何查看k8s 集群用 calico 还是flannel

作者：2023面试高手 | 2024-02-22 03:43:43

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如何查看k8s 集群用 calico 还是flannel

一、flannel

1.1、flannel 插件的基本介绍

Flannel由CoreOS推出，解决跨主机通信的一种方式；支持3种实现：UDP、VXLAN、host-gw
udp模式：使用设备flannel.0进行封包解包，不是内核原生支持，上下文切换较大，性能非常差；

vxlan模式：使用flannel.1进行封包解包，内核原生支持，性能较强；

host-gw模式：无需flannel.1这样的中间设备，直接宿主机当作子网的下一跳地址，性能最强，host-gw的性能损失大约在10%左右，而其他所有基于VXLAN“隧道”机制的网络方案，性能损失在20%~30%左右

1.2、flannel的跨主机通信模式：VXLAN

1.2.1 、什么是VXLAN

VXLAN，即Virtual Extensible LAN（虚拟可扩展局域网），是Linux本身支持的一网种网络虚拟化技术。VXLAN可以完全在内核态实现封装和解封装工作，从而通过“隧道”机制，构建出覆盖网络（Overlay Network）

1.2.2 、VXLAN的设计过程

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nfcu网络上的“主机”（虚拟机或容器都可以），可以像在同一个局域网（LAN）里那样自由通信。
为了能够在nfcu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，叫VTEP：VXLAN Tunnel End Point（虚拟隧道端点）

1.2.3、VXLAN的工作原理

图例解释：

Container：即运行的容器--包含各自的IP；

Cni0：网桥设备，没创建一个POD都会创建一对veth pair。其中一端是POD中的eth0，另一端是Cni0网桥中的端口（即网卡）

Flanel.1：TUN设备（虚拟网卡），用来进行VXLAN报文的处理（封装和解封）。不同node之间的pod数居流都是从高overlay设备以隧道模式发送到对端的。

Flanneld：flannel在每个主机中运行flanneld作为agent，它会为所在主机从集群的网络地址空间中，获取一个小的网段subnet，本主机内所有容器的IP地址都将从中分配。同时Flanneld监听K8s集群数据库，为flannel1设备提供封装数据时必要的mac、ip等网络数据信息。

过程解释：

1、当要发送数据包时，首先通过veth pair发送到cni网桥，再路由到本机的flannel.1设备进行处理；

2、VTEP设备之间通过二层数据桢进行通信；源VTEP设备收到原始IP包后，在上面加上一个目的MAC地址，封装成一个导去数据桢，发送给目的VTEP设备（获取 MAC地址需要通过三层IP地址查询，这是ARP表的功能）；

3、对于得到的内部数据帧，并不能在宿主机的二层网络传输，Linux内核还需要把它进一步封装成为宿主机的一个普通的数据桢，好让它带着“内部数据桢”通过宿主机的eth0进行传输，Linux会在内部数据桢前面，加上一个VXLAN头，VXLAN头里有一个重要的标志叫VNI，它是VTEP识别某个数据桢是不是应该归自己处理的重要标识。

4、当数据伪装完毕则可以通过eth0进行转发，然后到目的主机进行相应的解析即可。

其中在Flannel中，VNI的默认值是1，这也是为什么宿主机的VTEP设备都叫flannel.1的原因；一个flannel.1设备只知道另一端flannel.1设备的MAC地址，却不知道对应的宿主机地址是什么。
在linux内核里面，网络设备进行转发的依据，来自FDB的转发数据库，这个flannel.1网桥对应的FDB信息，是由flanneld进程维护的。linux内核再在IP包前面加上二层数据桢头，把Node2的MAC地址填进去。这个MAC地址本身，是Node1的ARP表要学习的，需Flannel维护，这时候Linux封装的“外部数据桢”的格式如下
在这里插入图片描述

1.3 host-gw模式和directrouting的设置和测试

1.3.1 host-gw模式

host-gw是一种纯三层网络的方案，性能最高。

工作原理：就是将每个Flannel子网的下一跳，设置成了该子网对应的宿主机的IP地址，也就是说，宿主机（host）充当了这条容器通信路径的“网关”（Gateway），这正是host-gw的含义。所有的子网和主机的信息，都保存在Etcd中，flanneld只需要watch这些数据的变化，实时更新路由表就行了。
核心：IP包在封装成桢的时候，使用路由表的“下一跳”设置上的MAC地址，这样可以经过二层网络到达目的宿主机。


##host-gw模式
[root@server1 fannel]# cp ~/kube-flannel.yml .    ##将flannel.yml pod清单复制到当前目录下
 
[root@server1 fannel]# vim kube-flannel.yml ##编辑kube-flannel.yml文件，将网络类型改为直接路由模式（host-gw）
 
[root@server1 fannel]# kubectl apply -f kube-flannel.yml 
Warning: policy/v1beta1 PodSecurityPolicy is deprecated in v1.21+, unavailable in v1.25+
podsecuritypolicy.policy/psp.flannel.unprivileged created
clusterrole.rbac.authorization.k8s.io/flannel created
clusterrolebinding.rbac.authorization.k8s.io/flannel created
serviceaccount/flannel created
configmap/kube-flannel-cfg created
daemonset.apps/kube-flannel-ds created
 
[root@server1 fannel]# kubectl get pod -n kube-system    ## 查看flannel网络插件应用成功

查看三台Node的IP，发现都存在gw：10.96.0.1/32

创建测试用例：


###创建pod：
[root@server1 network]# vim pod2.yml 
  1 Version: apps/v1
  2 kind: Deployment
  3 metadata:
  4   name: deployment-example
  5 spec:
  6   replicas: 4
  7   selector:
  8     matchLabels:
  9       app: myapp
 10   template:
 11     metadata:
 12       labels:
 13         app: myapp
 14     spec:
 15       containers:
 16       - name: myapp
 17         image: nginx
 
##创建服务：
  1 nd: Service
  2 apiVersion: v1
  3 metadata:
  4   name: myservice
  5 spec:
  6   ports:
  7     - protocol: TCP
  8       port: 80
  9       targetPort: 80
 10   selector:
 11     app: myapp
 12   type: NodePort

查看节点上的IP：10.224.1.0/24 10.224.2.0/24

通过外部访问：不卡顿，server2 server3 轮循访问

1.3.2 Flannel——vxlan+Directrouting模式


##删除之前的模式：
[root@server1 fannel]# kubectl delete -f kube-flannel.yml 
 
##重新设置配置
[root@server1 fannel]# vim  kube-flannel.yml 
 
##应用新的配置
[root@server1 fannel]# kubectl apply -f kube-flannel.yml 
 
##查看服务是否启动
[root@server1 fannel]# kubectl get pod -n kube-system

使用curl进行访问测试，和host-gw相同，这里不再赘述。

二、calico

默认当前的通信模式为calico，具体切换方式，请查看文章：

kubernetes---fannel和calico之间的切换

官方参考：

https://projectcalico.docs.tigera.io/getting-started/kubernetes/self-managed-onprem/onpremises

2.1 基本介绍

Fannal只解决通信，没有策略，k8s本事有相应的策略，但是需要相应的服务进行支持。

Calico 就是一种开源网络和网络安全解决方案，适用于容器，虚拟机和基于主机的本机工作负载。Calico 支持广泛的平台，包括 Kubernetes，docker，OpenStack 和裸机服务。Calico 后端支持多种网络模式。

三种模式：

BGP 模式：将节点做为虚拟路由器通过 BGP 路由协议来实现集群内容器之间的网络访问。

IPIP 模式：在原有 IP 报文中封装一个新的 IP 报文，新的 IP 报文中将源地址 IP 和目的地址 IP 都修改为对端宿主机 IP。

cross-subnet：Calico-ipip 模式和 calico-bgp 模式都有对应的局限性，对于一些主机跨子网而又无法使网络设备使用 BGP 的场景可以使用 cross-subnet 模式，实现同子网机器使用 calico-BGP 模式，跨子网机器使用 calico-ipip 模式。

网络架构：

Felix: 监听ECTD中心的存储获取事件，用户创建pod后，Felix负责将其网卡、IP、MAC都设置好，然后在内核的路由表里面写一条，注明这个IP应该到这张网卡。同样如果用户制定了限离策略，Felix同样会将该策略创建到ACL中，以实现隔离。

BIRD: 一个标准的路由程序，它会从内核里面获取哪一些IP的路由发生了变化，然后通过标准 BGP的路由协议扩散到整个其他的宿主机上，让外界都知道这个P在这里，路由的时候到这里来。

2.2 应用和配置

2.2.1 安装和配置


##安装和配置calico
 
##下载配置文件
curl https://projectcalico.docs.tigera.io/manifests/calico.yaml -O
 
##根据配置文件，下载相应的镜像 
[root@server1 fannel]# docker pull docker.io/calico/cni:v3.22.2
[root@server1 fannel]# docker pull docker.io/calico/pod2daemon-flexvol:v3.22.2
[root@server1 fannel]# docker pull docker.io/calico/node:v3.22.2
[root@server1 fannel]# docker pull docker.io/calico/kube-controllers:v3.22.2
 
##编写配置文件的模式，设置IPIP为OFF
 
##应用配置文件
[root@server1 calico]# kubectl apply -f calico.yaml 
 
##查看应用状态
[root@server1 calico]# kubectl get pod -n kube-system
[root@server1 calico]# kubectl get daemonset.apps -n kube-system
 
##查看运行的模式
[root@server1 calico]# kubectl describe ippools

2.2.2 基本的通信状态


##配置pod和svc，查看通信状态
[root@server1 network]# cat pod2.yml 
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: deployment-example
spec:
  replicas: 4
  selector:
    matchLabels:
      app: myapp
  template:
    metadata:
      labels:
        app: myapp
    spec:
      containers:
      - name: myapp
        image: nginx
 
[root@server1 network]# cat server2.yml 
kind: Service
apiVersion: v1
metadata:
  name: myservice
spec:
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 80
  selector:
    app: myapp
  type: NodePort
 
##查看路由环，观察通信模式
[root@server1 network]# ip route

2.2.3 打开隧道模式，分配固定的pod ip网段


[root@server1 calico]#  vim calico.yaml
# Enable IPIP
            - name: CALICO_IPV4POOL_IPIP
              value: "Always"
 
 - name: CALICO_IPV4POOL_CIDR
               value: "192.168.0.0/16"
[root@server1 calico]#  kubectl apply -f calico.yaml

2.3 通过Calico实现网络策略

calico的限制策略都是通过标签来进行匹配，设置相应的主机服务。

官方网址：https://projectcalico.docs.tigera.io/security/

2.3.1 限制访问指定服务


apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: deny-nginx
spec:
  podSelector:            ##通过标签选择含有指定label的pod进行通信
    matchLabels:
      app: nginx

2.3.2 允许指定pod访问


kind: NetworkPolicy
apiVersion: networking.k8s.io/v1
metadata:
  name: access-nginx
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
      app: nginx
  ingress:                ##允许通过
  - from:
      - podSelector:      ##选择含有对应的标签的pod
          matchLabels:
            app: demo

2.3.3 禁止 namespace 中所有 Pod 之间的相互访问


apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: default-deny
  namespace: default
spec:                    
  podSelector: {}        ##没有选择任何标签，则为拒绝所有POD

2.3.4 禁止其他 namespace 访问服务


kind: NetworkPolicy
apiVersion: networking.k8s.io/v1
metadata:
  name: deny-namespace
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
  ingress:                ##没有选择其他的namespace，则为禁止其他的namespace
  - from:
    - podSelector: {}

2.3.5 只允许指定namespace访问服务


kind: NetworkPolicy
apiVersion: networking.k8s.io/v1
metadata:
  name: access-namespace
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
      app: myapp
  ingress:
  - from:
    - namespaceSelector:        ##指定有相应标签的namespace
        matchLabels:
          role: prod

2.3.6 允许外网访问服务


kind: NetworkPolicy
apiVersion: networking.k8s.io/v1
metadata:
  name: web-allow-external
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
      app: web
  ingress:            ##指定特定端口
  - ports:
    - port: 80
    from: []          ##来自于任何地方均可以

【注】上述代码只给出了核心代码，测试时需要编写相应的POD和SVC的yml文件

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