k8s flannel 插件 基本通信原理

flannel

是一種 CNI 解決方案，也可以爲 Dokcer 提供服務，對 k8s 而言，是一個網絡插件。

• 實現了 CNI 的網絡控制平面軟件
• 屬於 coreOS 的子項目
• 通過配置主機路由或者 overlay，避免對物理路由器進行配置
  • VxLAN
  • UDP
  • Host-GW

和 k8s 集成時，運行在 work node 上面，監聽 k8s master 的狀態，共用 k8s 的控制節點的 etcd 作爲自己的數據庫。

安裝

實驗節點分佈

1. master node

   # 初始化 master 節點
   sudo kubeadm reset
   sudo kubeadm init --config kubadm.yaml 
   # 下載 flannel 配置文件
   wget https://raw.githubusercontent.com/coreos/flannel/master/Documentation/kube-flannel.yml
   # 修改配置文件，net-json 改爲 k8s 安裝的 podSubnet，type 默認爲 vxlan 
     net-conf.json: |
       {
         "Network": "10.244.0.0/16",
         "Backend": {
           "Type": "vxlan"
         }
       }
   # 部署
   kubectl apply -f kube-flannel.yml
   # 查看
   kubectl get pods --all-namespaces
   ---
   NAMESPACE     NAME                           READY   STATUS              RESTARTS   AGE
   kube-system   coredns-66bff467f8-m7ghl       0/1     ContainerCreating   0          11m
   kube-system   coredns-66bff467f8-mgnj7       0/1     ContainerCreating   0          11m
   kube-system   etcd-x-vm                      1/1     Running             0          11m
   kube-system   kube-apiserver-x-vm            1/1     Running             1          11m
   kube-system   kube-controller-manager-x-vm   1/1     Running             0          11m
   kube-system   kube-flannel-ds-amd64-g7hl9    1/1     Running             0          35s
   kube-system   kube-proxy-5x7l5               1/1     Running             0          11m
   kube-system   kube-scheduler-x-vm            1/1     Running             0          11m
   # 多次查看，可以看到 coredns Pending -> ContainerCreating -> Running，因爲 flannel 初始化初始化完成之後，k8s 認爲當前節點可用，就創建了 coredns
   
   

2. worker node

   安裝 docker、kubeadm，關閉 swap，加入到集羣中,hostname 不能重複

   # 在 master node 上初始化完成之後，會輸出如下 token
   kubeadm join 192.168.121.137:6443 --token abcdef.0123456789abcdef \
       --discovery-token-ca-cert-hash sha256:719b052641c7681b770f9609e82d6a8001ef9aa1125db6cea7b1a452d555c34a
   # 加入完成後，在 master node 上查看
   kubectl get nodes
   NAME     STATUS   ROLES    AGE   VERSION
   worker   Ready    <none>   52s   v1.18.4
   x-vm     Ready    master   23m   v1.18.4
   

   在 worker node 上查看容器,確認 flannel、kube-proxy 已經運行
   

3. 調整 coredns，使其分佈到 worker node 上

   # -n 指定 namespace，先刪除
   kubectl scale -n kube-system  deployment.v1.apps/coredns --replicas=0
   # 再將數量調整爲 2，期望結果是兩個 codedns 的 pod 分佈到兩個節點上
   kubectl scale -n kube-system  deployment.v1.apps/coredns --replicas=2
   

   查看 pod 分佈情況 kubectl get pods --all-namespaces -o wide,已經分佈到兩個節點上
   
   查看 worker node 網卡信息，可以看到 doredns 容器對應的 veth 已經存在，而且也有了 cni 網卡
   

host-gw 實現

基本原理

在 kube-net 網絡實現中：

• 同 node 中的 pod 互相通信是通過 cbr0 網橋二層互通
• 跨 node 通信是通過主機的默認路由，路由到物理網絡中進行數據轉發，此時需要在物理路由器上進行路由相關的配置

部署 flannel 時，將配置文件中 net-json 字段的 Type 修改爲 host-gw 。
Flannel host-gw 實現方案中，由於 linux 具有路由轉發功能，所以可以將物理路由器相關的配置下沉到 work node (主機)上，由主機進行路由，類似於DVR，也避免了單點故障。
Flannel 連接 k8s 的數據庫，每個 node 上的 flanned 進程知道所有 podSubnet 對應的 node，進而在主機的網絡空間中配置 podSubnet 的路由指向對應的 node。
Flannel 環境中連接 pod 的 Linuxbridge 爲 cni0（kube-net 是 cbr0），所有的 work node 必須在同一個二層網絡中（添加路由時必須是二層可達纔會生效）

實操

Flannel 安裝完成後，查看路由信息：

# 在 master node 上創建一個臨時的 pod，使用 nodeSelector 指定運行的 node
kubectl run -it --rm --restart=Never test1 --image busybox --overrides='{"apiVersion": "v1","spec": {"nodeSelector": {"kubernetes.io/hostname": "x-vm"}}}' sh
# 新開一個窗口，在 work node 上創建一個臨時的 pod
kubectl run -it --rm --restart=Never test2 --image busybox --overrides='{"apiVersion": "v1","spec": {"nodeSelector": {"kubernetes.io/hostname": "worker"}}}' sh

新開一個窗口，檢查一個 pod 運行情況，可以看到分佈在兩個 node 上,IP 分別是 11.0.0.5 和 11.0.1.3

用 pod test1 去 ping test2，在 work node 上抓包

可以從物理網卡抓到兩個 pod 之間的通信流量
在 pod test1 上 traceroute test2，可以看到路徑經過了 work node 到達 test2

VxLAN 實現

基本原理

• Ethernet Frame 封裝到 UDP 中
• 不考慮物理網絡衝突問題
• 封裝需要額外的 50 字節（網卡默認 MTU 爲 1450）
• 允許 woker node 分佈到三層網絡中

VxLAN 數據包封裝：

Flannel VxLAN 基於 Linux 原生的方式實現 VxLAN

# Linux 通過 VxLAN 字節口實現 VxLAN 的封裝解封裝
ip link add vxlan0 type vxlan id 1 \
remote 192.168.121.137 \
local 192.168.121.138 \
dstport 8472 \
dev eth0
# 通過監聽端口來攔截數據進行封裝解封裝

Flannel 的 VxLAN 實現

Flannel 會在 node 上額外創建 flannel.<vni> 設備，掛載的 ip 爲當前 node podSubnet 的第 0 個地址作爲 VTEP 地址。

當有多個 node 時，如果按照 Linux 原生方式實現 VxLAN 時，每個 node 都要和其他 node 建立 VxLAN 隧道，也就是每個 node 上都要創建多個類型爲 vxlan 的 netdev 設備，這樣子接口的數量就是 n^2。

爲了避免這種情況，flannel 添加 flannel.vni 子接口的時候，並沒有指定 remote ip，而是添加了對端 flannel.vni 的靜態 arp 表項，並添加二層轉規則（bridge fdb 查看），如果是發往對端的 flannel.vni 的 MAC 地址的話，從本端子接口發出，且指定了遠端的 VTEP 地址。

實操

1. 清理 host-gw 環境，修改配置文件，重新部署 flannel

   # 刪除 flannel
   kubectl delete -f kube-flannel.yml
   # 刪除 coredns
   kubectl scale -n kube-system  deployment.v1.apps/coredns --replicas=0
   # 修改 kube-flannel.yml 中 net-json type 爲 vxlan
   # 重新部署
   kubectl apply -f kube-flannel.yml
   # 添加 coredns
   kubectl scale -n kube-system  deployment.v1.apps/coredns --replicas=2
   

2. 查看網卡信息

   ip addr，可以看到 vni 接口
   
   查看 arp 表
   
   查看轉發數據庫，bridge fdb
   
   在 work node 上查看接口，MAC 地址和 master node 上的轉發表一致
   

3. 創建 pod ，抓包驗證

   # 在 master node 上創建一個臨時的 pod，使用 nodeSelector 指定運行的 node
   kubectl run -it --rm --restart=Never test1 --image busybox --overrides='{"apiVersion": "v1","spec": {"nodeSelector": {"kubernetes.io/hostname": "x-vm"}}}' sh
   # 新開一個窗口，在 work node 上創建一個臨時的 pod
   kubectl run -it --rm --restart=Never test2 --image busybox --overrides='{"apiVersion": "v1","spec": {"nodeSelector": {"kubernetes.io/hostname": "worker"}}}' sh
   
   

   查看 pods 分佈情況：
   

   用 test1 ping test2 ，在 worker 物理接口上抓包，可以看到封裝數據包的內容
   

UDP 實現

非 VxLAN 的 UDP 數據封裝，不推薦使用
數據經過用戶態轉發，性能低