【k8s】网络插件(二十)_k8s网络插件

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前言

在【k8s】利用Kubeadm搭建多节点的Kubernetes集群(七)，我们为 Kubernetes 安装了一个网络插件 Flannel。都与网络相关，但也只是浅尝辄止，并没有太多深究。

Flannel 到底是如何工作的呢？它为什么能够让 Kubernetes 集群正常通信呢？还有没有其他网络插件呢？

今天我们就来聊一下这个话题，讲讲 Kubernetes 的网络接口标准 CNI，以及 Calico、Cilium 等性能更好的网络插件。

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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、Kubernetes 的网络模型

在说 Kubernetes 的网络之前，我们还是要先简单回顾一下 Docker 的网络知识。

docker有三种网络模式：null、host 和 bridge

这里画了一张图，描述了 Docker 里最常用的 bridge 网络模式：

Docker 会创建一个名字叫docker0的网桥，默认是私有网段172.17.0.0/16。每个容器都会创建一个虚拟网卡对（veth pair），两个虚拟网卡分别插在容器和网桥上，这样容器之间就可以互联互通了。

Docker 的网络方案简单有效，但问题是它只局限在单机环境里工作，跨主机通信非常困难（需要做端口映射和网络地址转换）。

针对 Docker 的网络缺陷，Kubernetes 提出了一个自己的网络模型“IP-per-pod”，能够很好地适应集群系统的网络需求，它有下面的这 4 点基本假设：

• 集群里的每个 Pod 都会有唯一的一个 IP 地址。
• Pod 里的所有容器共享这个 IP 地址。
• 集群里的所有 Pod 都属于同一个网段。
• Pod 直接可以基于 IP 地址直接访问另一个 Pod，不需要做麻烦的网络地址转换（NAT）。

我画了一张 Kubernetes 网络模型的示意图，你可以看一下：

这个网络让 Pod 摆脱了主机的硬限制，是一个平坦的网络模型，很好理解，通信自然也非常简单。

因为 Pod 都具有独立的 IP 地址，相当于一台虚拟机，而且直连互通，也就可以很容易地实施域名解析、负载均衡、服务发现等工作，以前的运维经验都能够直接使用，对应用的管理和迁移都非常友好。

什么是 CNI

Kubernetes 定义的这个网络模型很完美，但要把这个模型落地实现就不那么容易了。所以 Kubernetes 就专门制定了一个标准： CNI（Container Networking Interface）。

CNI 为网络插件定义了一系列通用接口，开发者只要遵循这个规范就可以接入 Kubernetes，为 Pod 创建虚拟网卡、分配 IP 地址、设置路由规则，最后就能够实现IP-per-pod网络模型。

依据实现技术的不同，CNI 插件可以大致上分成Overlay Route和Underlay三种。

• Overlay 的原意是“覆盖”，是指它构建了一个工作在真实底层网络之上的“逻辑网络”，把原始的 Pod 网络数据封包，再通过下层网络发送出去，到了目的地再拆包。因为这个特点，它对底层网络的要求低，适应性强，缺点就是有额外的传输成本，性能较低。
• Route 也是在底层网络之上工作，但它没有封包和拆包，而是使用系统内置的路由功能来实现 Pod 跨主机通信。它的好处是性能高，不过对底层网络的依赖性比较强，如果底层不支持就没办法工作了。
• Underlay 就是直接用底层网络来实现 CNI，也就是说 Pod 和宿主机都在一个网络里，Pod 和宿主机是平等的。它对底层的硬件和网络的依赖性是最强的，因而不够灵活，但性能最高。

自从 2015 年 CNI 发布以来，由于它的接口定义宽松，有很大的自由发挥空间，所以社区里就涌现出了非常多的网络插件，我们之前在【k8s】利用Kubeadm搭建多节点的Kubernetes集群(七)里提到的 Flannel 就是其中之一。

Flannel（https://github.com/flannel-io/flannel/）由 CoreOS 公司（已被 Redhat 收购）开发，最早是一种 Overlay 模式的网络插件，使用 UDP 和 VXLAN 技术，后来又用 Host-Gateway 技术支持了 Route 模式。Flannel 简单易用，是 Kubernetes 里最流行的 CNI 插件，但它在性能方面表现不是太好，所以一般不建议在生产环境里使用。

现在还有两个常用 CNI 插件：Calico、Cilium，我们做个简略的介绍。

• Calico（https://github.com/projectcalico/calico）是一种 Route 模式的网络插件，使用 BGP 协议（Border Gateway Protocol）来维护路由信息，性能要比 Flannel 好，而且支持多种网络策略，具备数据加密、安全隔离、流量整形等功能。
• Cilium（https://github.com/cilium/cilium）是一个比较新的网络插件，同时支持 Overlay 模式和 Route 模式，它的特点是深度使用了 Linux eBPF 技术，在内核层次操作网络数据，所以性能很高，可以灵活实现各种功能。在 2021 年它加入了 CNCF，成为了孵化项目，是非常有前途的 CNI 插件。

二、CNI 插件是怎么工作的

Flannel 比较简单，我们先以它为例看看 CNI 在 Kubernetes 里的工作方式。

我们先来在实验环境里用 Deployment 创建 3 个 Nginx Pod，作为研究对象：

kubectl create deploy ngx-dep --image=nginx:alpine --replicas=3
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使用命令 kubectl get pod 可以看到，有两个 Pod 运行在 master 节点上，IP 地址分别是10.10.0.3``10.10.0.4，另一个 Pod 运行在 worker 节点上，IP 地址是10.10.1.77：

Flannel 默认使用的是基于 VXLAN 的 Overlay 模式，整个集群的网络结构我画了一张示意图，你可以对比一下 Docker 的网络结构：

从单机的角度来看的话，Flannel 的网络结构和 Docker 几乎是一模一样的，只不过网桥换成了cni0，而不是docker0。

接下来我们来操作一下，看看 Pod 里的虚拟网卡是如何接入 cni0 网桥的。

在 Pod 里执行命令 ip addr 就可以看到它里面的虚拟网卡eth0：

$ kubectl exec -it ngx-dep-bfbb5f64b-j9n5n -- ip addr
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你需要注意它的形式，第一个数字3是序号，意思是第 3 号设备，@if45就是它另一端连接的虚拟网卡，序号是 45。

因为这个 Pod 的宿主机是 master，我们就要登录到 master 节点，看看这个节点上的网络情况，同样还是用命令 ip addr：

这里就可以看到宿主机（master）节点上的第 45 号设备了，它的名字是 veth41586979@if3，veth表示它是一个虚拟网卡，而后面的@if3就是 Pod 里对应的 3 号设备，也就是eth0网卡了。

那么cni0网桥的信息该怎么查看呢？这需要在宿主机（master）上使用命令 brctl show：

从这张截图里，你可以发现cni0网桥上有 4 个虚拟网卡，第三个就是veth41586979，所以这个网卡就被插在了cni0网桥上，然后因为虚拟网卡的“结对”特性，Pod 也就连上了“cni0”网桥。

使用同样的方式，你可以知道另一个 Pod 10.10.0.4的网卡是 veth2b3ef56d@if3，它也在cni0网桥上，所以借助这个网桥，本机的 Pod 就可以直接通信。

弄清楚了本机网络，我们再来看跨主机的网络，它的关键是节点的路由表，用命令 route 查看：

它告诉我们有这些信息：

• 10.10.0.0/24 网段的数据，都要走 cni0 设备，也就是“cni0”网桥。
• 10.10.1.0/24 网段的数据，都要走 flannel.1 设备，也就是 Flannel。
• 192.168.10.0/24 网段的数据，都要走 ens160 设备，也就是我们宿主机的网卡。

假设我们要从 master 节点的10.10.0.3访问 worker 节点的10.10.1.77，因为 master 节点的cni0网桥管理的只是10.10.0.0/24这个网段，所以按照路由表，凡是10.10.1.0/24都要让 flannel.1 来处理，这样就进入了 Flannel 插件的工作流程。

然后 Flannel 就要来决定应该如何把数据发到另一个节点，在各种表里去查询。因为这个过程比较枯燥，我就不详细说了，你可以参考下面的示意图，用到的命令有 ip neighbor、bridge fdb 等等：

大致处理流程就是：根据发送网段取出对段flannel网卡mak地址（举例：ip neighbor|grep 10.10.1） -> 根据mak地址表得到对端宿主机IP（bridge fdb|grep flannel）-> 然后通过本机宿主机转发出去(esn160)

Flannel 得到的结果就是要把数据发到192.168.10.220，也就是 worker 节点，所以它就会在原始网络包前面加上这些额外的信息，封装成 VXLAN 报文，用“ens160”网卡发出去，worker 节点收到后再拆包，执行类似的反向处理，就可以把数据交给真正的目标 Pod 了。

三、使用 Calico 网络插件

下面看看另一个 Route 模式的插件 Calico。

你可以在 Calico 的官网上找到它的安装方式，我选择的是“本地自助安装（Self-managed on-premises）”，可以直接下载 YAML 文件：

curl https://raw.githubusercontent.com/projectcalico/calico/v3.25.1/manifests/custom-resources.yaml -O
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由于 Calico 使用的镜像较大，为了加快安装速度，可以考虑在每个节点上预先使用 docker pull 拉取镜像：

// 根据安装的版本拉取对应版本 我这里是v3.25.1
docker pull calico/cni:v3.25.1
docker pull calico/node:v3.25.1
docker pull calico/kube-controllers:v3.25.1
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Calico 的安装非常简单，只需要用 kubectl apply 就可以（记得安装之前最好把 Flannel 删除）：

kubectl apply -f custom-resources.yaml
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安装之后我们来查看一下 Calico 的运行状态，注意它也是在kube-system名字空间：

我们仍然创建 3 个 Nginx Pod 来做实验：

kubectl create deploy ngx-dep --image=nginx:alpine --replicas=3
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我们会看到 master 节点上有两个 Pod，worker 节点上有一个 Pod，但它们的 IP 地址与刚才 Flannel 的明显不一样了，分别是“10.10.32.”和“10.10.236.”，这说明 Calico 的 IP 地址分配策略和 Flannel 是不同的：

然后我们来看看 Pod 里的网卡情况，你会发现虽然还是有虚拟网卡，但宿主机上的网卡名字变成了 calie0eb64421dd@if4，而且并没有连接到“cni0”网桥上：


其实这是 Calico 的工作模式导致的正常现象。因为 Calico 不是 Overlay 模式，而是 Route 模式，所以它就没有用 Flannel 那一套，而是在宿主机上创建路由规则，让数据包不经过网桥直接跳到目标网卡去。

假设 Pod A“10.10.32.163”要访问 Pod B“10.10.32.169”，那么查路由表，知道要走“calic80475f3496”这个设备，而它恰好就在 Pod B 里，所以数据就会直接进 Pod B 的网卡，省去了网桥的中间步骤。

至于在 Calico 里跨主机通信是如何路由的，你完全可以对照着路由表，一步步地“跳”到目标 Pod 去（提示：tunl0 设备）。

总结

1. Kubernetes 使用的是“IP-per-pod”网络模型，每个 Pod 都会有唯一的 IP 地址，所以简单易管理。
2. CNI 是 Kubernetes 定义的网络插件接口标准，按照实现方式可以分成“Overlay”“Route”和“Underlay”三种，常见的 CNI 插件有 Flannel、Calico 和 Cilium。
3. Flannel 支持 Overlay 模式，它使用了 cni0 网桥和 flannel.1 设备，本机通信直接走 cni0，跨主机通信会把原始数据包封装成 VXLAN 包再走宿主机网卡发送，有性能损失。
4. Calico 支持 Route 模式，它不使用 cni0 网桥，而是创建路由规则，把数据包直接发送到目标网卡，所以性能高。