Kubernetes中如何進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析Flannel

這期內(nèi)容當(dāng)中小編將會給大家?guī)碛嘘P(guān)Kubernetes中如何進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析Flannel，文章內(nèi)容豐富且以專業(yè)的角度為大家分析和敘述，閱讀完這篇文章希望大家可以有所收獲。

Flannel是cereos開源的CNI網(wǎng)絡(luò)插件，下圖flannel官網(wǎng)提供的一個(gè)數(shù)據(jù)包經(jīng)過封包、傳輸以及拆包的示意圖，從這個(gè)圖片中可以看出兩臺機(jī)器的docker0分別處于不同的段：10.1.20.1/24 和 10.1.15.1/24 ，如果從Web App Frontend1 pod（10.1.15.2）去連接另一臺主機(jī)上的Backend Service2 pod（10.1.20.3），網(wǎng)絡(luò)包從宿主機(jī)192.168.0.100發(fā)往192.168.0.200，內(nèi)層容器的數(shù)據(jù)包被封裝到宿主機(jī)的UDP里面，并且在外層包裝了宿主機(jī)的IP和mac地址。這就是一個(gè)經(jīng)典的overlay網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)槿萜鞯腎P是一個(gè)內(nèi)部IP，無法從跨宿主機(jī)通信，所以容器的網(wǎng)絡(luò)互通，需要承載到宿主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)之上。

flannel支持多種網(wǎng)絡(luò)模式，常用的是vxlan、UDP、hostgw、ipip以及gce和阿里云等，vxlan和UDP的區(qū)別是：vxlan是內(nèi)核封包，而UDP是flanneld用戶態(tài)程序封包，所以UDP的方式性能會稍差；hostgw模式是一種主機(jī)網(wǎng)關(guān)模式，容器到另外一個(gè)主機(jī)上容器的網(wǎng)關(guān)設(shè)置成所在主機(jī)的網(wǎng)卡地址，這個(gè)和calico非常相似，只不過calico是通過BGP聲明，而hostgw是通過中心的etcd分發(fā)，所以hostgw是直連模式，不需要通過overlay封包和拆包，性能比較高，但hostgw模式最大的缺點(diǎn)是必須是在一個(gè)二層網(wǎng)絡(luò)中，畢竟下一跳的路由需要在鄰居表中，否則無法通行。

在實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境中，最常用的還是vxlan模式，我們先看工作原理，然后通過源碼解析實(shí)現(xiàn)過程。

安裝的過程非常簡單，主要分為兩步：

第一步安裝flannel

yum install flannel 或者通過kubernetes的daemonset方式啟動,配置flannel用的etcd地址

第二步配置集群網(wǎng)絡(luò)

curl -L http://etcdurl:2379/v2/keys/flannel/network/config -XPUT -d value="{\"Network\":\"172.16.0.0/16\",\"SubnetLen\":24,\"Backend\":{\"Type\":\"vxlan\",\"VNI\":1}}"

然后啟動每個(gè)節(jié)點(diǎn)的flanned程序。

一、工作原理

1、容器的地址如何分配

Docker容器啟動時(shí)通過docker0分配IP地址，flannel為每個(gè)機(jī)器分配一個(gè)IP段，配置在docker0上，容器啟動后就在本段內(nèi)選擇一個(gè)未占用的IP，那么flannel如何修改docker0網(wǎng)段呢？

先看一下 flannel的啟動文件 /usr/lib/systemd/system/flanneld.service

[Service]
Type=notify
EnvironmentFile=/etc/sysconfig/flanneld
ExecStart=/usr/bin/flanneld-start $FLANNEL_OPTIONS
ExecStartPost=/opt/flannel/mk-docker-opts.sh -k DOCKER_NETWORK_OPTIONS -d /run/flannel/docker

文件里面指定了flannel環(huán)境變量和啟動腳本和啟動后執(zhí)行腳本 ExecStartPost 設(shè)置的mk-docker-opts.sh，這個(gè)腳本的作用是生成/run/flannel/docker，文件內(nèi)容如下：

DOCKER_OPT_BIP="--bip=10.251.81.1/24"
DOCKER_OPT_IPMASQ="--ip-masq=false"
DOCKER_OPT_MTU="--mtu=1450"
DOCKER_NETWORK_OPTIONS=" --bip=10.251.81.1/24 --ip-masq=false --mtu=1450"

而這個(gè)文件又被docker啟動文件/usr/lib/systemd/system/docker.service所關(guān)聯(lián)，

[Service]
Type=notify
NotifyAccess=all
EnvironmentFile=-/run/flannel/docker
EnvironmentFile=-/etc/sysconfig/docker

這樣便可以設(shè)置docker0的網(wǎng)橋了。

在開發(fā)環(huán)境中，有三臺機(jī)器，分別分配了如下網(wǎng)段：

host-139.245 10.254.44.1/24

host-139.246 10.254.60.1/24

host-139.247 10.254.50.1/24

2、容器如何通信

上面介紹了為每個(gè)容器分配IP，那么不同主機(jī)上的容器如何通信呢，我們用最常見的vxlan舉例，這里有三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，一個(gè)路由，一個(gè)arp，一個(gè)FDB。我們按照容器發(fā)包的過程，逐一分析上面三個(gè)元素的作用，首先容器出來的數(shù)據(jù)包會經(jīng)過docker0，那么下面是直接從主機(jī)網(wǎng)絡(luò)出去，還是通過vxlan封包轉(zhuǎn)發(fā)呢？這是每個(gè)機(jī)器上面路由設(shè)定的。

 #ip route  show dev flannel.1
10.254.50.0/24 via 10.254.50.0 onlink
10.254.60.0/24 via 10.254.60.0 onlink

可以看到每個(gè)主機(jī)上面都有到另外兩臺機(jī)器的路由，這個(gè)路由是onlink路由，onlink參數(shù)表明強(qiáng)制此網(wǎng)關(guān)是“在鏈路上”的(雖然并沒有鏈路層路由)，否則linux上面是沒法添加不同網(wǎng)段的路由。這樣數(shù)據(jù)包就能知道，如果是容器直接的訪問則交給flannel.1設(shè)備處理。

flannel.1這個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將會對數(shù)據(jù)封包，但下面一個(gè)問題又來了，這個(gè)網(wǎng)關(guān)的mac地址是多少呢？因?yàn)檫@個(gè)網(wǎng)關(guān)是通過onlink設(shè)置的，flannel會下發(fā)這個(gè)mac地址，查看一下arp表

# ip neig show dev flannel.1
10.254.50.0 lladdr ba:10:0e:7b:74:89 PERMANENT
10.254.60.0 lladdr 92:f3:c8:b2:6e:f0 PERMANENT

可以看到這個(gè)網(wǎng)關(guān)對應(yīng)的mac地址，這樣內(nèi)層的數(shù)據(jù)包就封裝好了

還是最后一個(gè)問題，外出的數(shù)據(jù)包的目的IP是多少呢？換句話說，這個(gè)封裝后的數(shù)據(jù)包應(yīng)該發(fā)往那一臺機(jī)器呢？難不成每個(gè)數(shù)據(jù)包都廣播。vxlan默認(rèn)實(shí)現(xiàn)第一次確實(shí)是通過廣播的方式，但flannel再次采用一種hack方式直接下發(fā)了這個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)表FDB

# bridge fdb show dev flannel.1
92:f3:c8:b2:6e:f0 dst 10.100.139.246 self permanent
ba:10:0e:7b:74:89 dst 10.100.139.247 self permanent

這樣對應(yīng)mac地址轉(zhuǎn)發(fā)目標(biāo)IP便可以獲取到了。

這里還有個(gè)地方需要注意，無論是arp表還是FDB表都是permanent，它表明寫記錄是手動維護(hù)的，傳統(tǒng)的arp獲取鄰居的方式是通過廣播獲取，如果收到對端的arp相應(yīng)則會標(biāo)記對端為reachable，在超過reachable設(shè)定時(shí)間后，如果發(fā)現(xiàn)對端失效會標(biāo)記為stale，之后會轉(zhuǎn)入的delay以及probe進(jìn)入探測的狀態(tài)，如果探測失敗會標(biāo)記為Failed狀態(tài)。之所以介紹arp的基礎(chǔ)內(nèi)容，是因?yàn)槔习姹镜膄lannel并非使用本文上面的方式，而是采用一種臨時(shí)的arp方案，此時(shí)下發(fā)的arp表示reachable狀態(tài)，這就意味著，如果在flannel宕機(jī)超過reachable超時(shí)時(shí)間的話，那么這臺機(jī)器上面的容器的網(wǎng)絡(luò)將會中斷，我們簡單回顧試一下之前(0.7.x)版本的做法，容器為了為了能夠獲取到對端arp地址，內(nèi)核會首先發(fā)送arp征詢，如果嘗試 

/proc/sys/net/ipv4/neigh/$NIC/ucast_solicit

此時(shí)后會向用戶空間發(fā)送arp征詢

/proc/sys/net/ipv4/neigh/$NIC/app_solicit

之前版本的flannel正是利用這個(gè)特性，設(shè)定

# cat   /proc/sys/net/ipv4/neigh/flannel.1/app_solicit
3

從而flanneld便可以獲取到內(nèi)核發(fā)送到用戶空間的L3MISS,并且配合etcd返回這個(gè)IP地址對應(yīng)的mac地址，設(shè)置為reachable。從分析可以看出，如果flanneld程序如果退出后，容器之間的通信將會中斷，這里需要注意。Flannel的啟動流程如下圖所示：

Flannel啟動執(zhí)行newSubnetManager，通過他創(chuàng)建后臺數(shù)據(jù)存儲，當(dāng)前有支持兩種后端，默認(rèn)是etcd存儲，如果flannel啟動指定“kube-subnet-mgr”參數(shù)則使用kubernetes的接口存儲數(shù)據(jù)。

具體代碼如下：

func newSubnetManager() (subnet.Manager, error) {
    if opts.kubeSubnetMgr {
       return kube.NewSubnetManager(opts.kubeApiUrl, opts.kubeConfigFile)
    }
  
    cfg := &etcdv2.EtcdConfig{
       Endpoints: strings.Split(opts.etcdEndpoints, ","),
       Keyfile:   opts.etcdKeyfile,
       Certfile:  opts.etcdCertfile,
       CAFile:    opts.etcdCAFile,
       Prefix:    opts.etcdPrefix,
       Username:  opts.etcdUsername,
       Password:  opts.etcdPassword,
    }
  
    // Attempt to renew the lease for the subnet specified in the subnetFile
    prevSubnet := ReadCIDRFromSubnetFile(opts.subnetFile, "FLANNEL_SUBNET")
  
    return etcdv2.NewLocalManager(cfg, prevSubnet)
 }

通過SubnetManager，結(jié)合上面介紹部署的時(shí)候配置的etcd的數(shù)據(jù)，可以獲得網(wǎng)絡(luò)配置信息，主要指backend和網(wǎng)段信息，如果是vxlan，通過NewManager創(chuàng)建對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)管理器，這里用到簡單工程模式，首先每種網(wǎng)絡(luò)模式管理器都會通過init初始化注冊，

如vxlan

func init() {
    backend.Register("vxlan", New)

如果是udp

  func init() {
    backend.Register("udp", New)
 }

其它也是類似，將構(gòu)建方法都注冊到一個(gè)map里面，從而根據(jù)etcd配置的網(wǎng)絡(luò)模式，設(shè)定啟用對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)管理器。

3、注冊網(wǎng)絡(luò)

RegisterNetwork，首先會創(chuàng)建flannel.vxlanID的網(wǎng)卡，默認(rèn)vxlanID是1.然后就是向etcd注冊租約并且獲取相應(yīng)的網(wǎng)段信息，這樣有個(gè)細(xì)節(jié)，老版的flannel每次啟動都是去獲取新的網(wǎng)段，新版的flannel會遍歷etcd里面已經(jīng)注冊的etcd信息，從而獲取之前分配的網(wǎng)段，繼續(xù)使用。

最后通過WriteSubnetFile寫本地子網(wǎng)文件，

    # cat /run/flannel/subnet.env 
FLANNEL_NETWORK=10.254.0.0/16
FLANNEL_SUBNET=10.254.44.1/24
FLANNEL_MTU=1450
FLANNEL_IPMASQ=true

通過這個(gè)文件設(shè)定docker的網(wǎng)絡(luò)。細(xì)心的讀者可能發(fā)現(xiàn)這里的MTU并不是以太網(wǎng)規(guī)定的1500，這是因?yàn)橥鈱拥膙xlan封包還要占據(jù)50 Byte。

當(dāng)然flannel啟動后還需要持續(xù)的watch etcd里面的數(shù)據(jù)，這是當(dāng)有新的flannel節(jié)點(diǎn)加入，或者變更的時(shí)候，其他flannel節(jié)點(diǎn)能夠動態(tài)更新的那三張表。主要的處理方法都在handleSubnetEvents里面

    func (nw *network) handleSubnetEvents(batch []subnet.Event) {
 . . .
  
       switch event.Type {//如果是有新的網(wǎng)段加入（新的主機(jī)加入）
       case subnet.EventAdded:
  . . .//更新路由表
if err := netlink.RouteReplace(&directRoute); err != nil {
    log.Errorf("Error adding route to %v via %v: %v", sn, attrs.PublicIP, err)
    continue
 } 
//添加arp表
log.V(2).Infof("adding subnet: %s PublicIP: %s VtepMAC: %s", sn, attrs.PublicIP, net.HardwareAddr(vxlanAttrs.VtepMAC))
             if err := nw.dev.AddARP(neighbor{IP: sn.IP, MAC: net.HardwareAddr(vxlanAttrs.VtepMAC)}); err != nil {
                log.Error("AddARP failed: ", err)
                continue
             }
 //添加FDB表
             if err := nw.dev.AddFDB(neighbor{IP: attrs.PublicIP, MAC: net.HardwareAddr(vxlanAttrs.VtepMAC)}); err != nil {
                log.Error("AddFDB failed: ", err)
  
                              if err := nw.dev.DelARP(neighbor{IP: event.Lease.Subnet.IP, MAC: net.HardwareAddr(vxlanAttrs.VtepMAC)}); err != nil {
                   log.Error("DelARP failed: ", err)
                }
  
                continue
             }//如果是刪除實(shí)踐
      case subnet.EventRemoved:
//刪除路由
             if err := netlink.RouteDel(&directRoute); err != nil {
                log.Errorf("Error deleting route to %v via %v: %v", sn, attrs.PublicIP, err)
             
          } else {
             log.V(2).Infof("removing subnet: %s PublicIP: %s VtepMAC: %s", sn, attrs.PublicIP, net.HardwareAddr(vxlanAttrs.VtepMAC))
  
           //刪除arp            if err := nw.dev.DelARP(neighbor{IP: sn.IP, MAC: net.HardwareAddr(vxlanAttrs.VtepMAC)}); err != nil {
                log.Error("DelARP failed: ", err)
             }
 //刪除FDB
             if err := nw.dev.DelFDB(neighbor{IP: attrs.PublicIP, MAC: net.HardwareAddr(vxlanAttrs.VtepMAC)}); err != nil {
                log.Error("DelFDB failed: ", err)
             }
  
             if err := netlink.RouteDel(&vxlanRoute); err != nil {
                log.Errorf("failed to delete vxlanRoute (%s -> %s): %v", vxlanRoute.Dst, vxlanRoute.Gw, err)
             }
          }
       default:
          log.Error("internal error: unknown event type: ", int(event.Type))
       }
    }
 }

這樣flannel里面任何主機(jī)的添加和刪除都可以被其它節(jié)點(diǎn)所感知到，從而更新本地內(nèi)核轉(zhuǎn)發(fā)表。

上述就是小編為大家分享的Kubernetes中如何進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析Flannel了，如果剛好有類似的疑惑，不妨參照上述分析進(jìn)行理解。如果想知道更多相關(guān)知識，歡迎關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道。